用“分子眼睛”看计算机的机器语言二进制

刘天昕 吴秀文 邢 杰 郝会颖 赵长春 高 禄

(1 北京科技大学计算机科学与技术系，北京 100083；2 中国地质大学(北京)数理学院，北京 100083)



物理与工程

用“分子眼睛”看计算机的机器语言二进制

刘天昕1吴秀文2邢 杰2郝会颖2赵长春2高 禄2

(1北京科技大学计算机科学与技术系，北京 100083；2中国地质大学(北京)数理学院，北京 100083)

以磁光存储介质为例，从分子环流入手，介绍磁畴形成的微观机制，并结合热磁光存储介质薄膜的制备技术与薄膜的微结构阐述计算机的机器语言二进制的微观本质；即从热磁光存储材料的角度，二进制机器语言中的基本素数“1”和“0”对应于磁光存储薄膜材料中磁畴磁矩的空间取向:向上和向下，或磁畴中总的分子环流的绕行方向:顺时针和逆时针.文章涉及物理学、材料学和计算机科学等3门学科的知识，体现了不同学科的交叉发展，以及物理学是其他现代科学与技术发展的基础性地位.

分子环流；磁光存储介质；磁畴；二进制

人们从进入小学开始接触数学就知道了“满十进一”的数学运算规则，但是提到二进制对多数人来说却是陌生的.二进制源于中国的《易经》，它是18世纪德国数理哲学大师在拉丁文译本《易经》的八卦组成结构中发现的，其基本素数为“0”和“1”，即《易经》的阴爻和阳爻.而20世纪第三次科技革命的重要标志之一计算机，其运算模式正是二进制.

二进制数是用“0”和“1”来表示的数，其基数为2.进位规则是“满二进一”，借位规则是“借一当二”.二进制数也是采用位置计数法，其位权是以2为底的幂.例如二进制数110.11，其权的大小顺序为22、21、20、2-1、2-2，亦可表示为(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2=(7.75)10，即二进制的110.11对应于十进制的7.75.二进制数字也有四则运算规则，即加法、减法、乘法与除法.

计算机已经为人们熟知，甚至成为大多数人日常生活与工作不可缺少的一个工具.在计算机中，广泛采用的是只有“0”和“1”两个基本符号组成的二进制数，而不使用人们习惯的十进制数，主要的原因如下:(1)二进制数在物理上最容易实现.例如，可以只用高、低两个电平表示“1”和“0”，也可以用脉冲的有无或者脉冲的正负极性表示它们.(2)二进制数用来表示的二进制数的编码、计数、加减运算规则简单.(3)二进制数的两个符号“1”和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”或称“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利的条件.但是从物理学分子环流与磁光存储材料角度讨论二进制却鲜见研究报道.

针对上述存在的问题，本文从分子的环流出发，概述了磁畴形成的微观机理，并借助磁光存储介质薄膜材料的制备方法与微结构特征，阐述了计算机机器语言二进制所对应的磁光存储材料的微观本质.关于热磁光存储薄膜材料磁畴磁矩的空间取向特征是为了适应机器语言二进制的编码技术，还是二进制编码语言适应了存储材料的特征，这里不作讨论.

1 磁畴 [1-3]

磁畴的概念是Weiss于1907年在分子场理论的假设中首先提出的，它是指在铁磁体内存在的无数个线度约为10-4m的自发极化的小区域，其内含有约1017～1020个原子.

1.1 磁畴形成的微观机理

磁畴的形成机理可以从物质的微观电结构给出解释.任何物质都是由分子构成，分子中的电子都参与两种运动，即轨道运动和自旋运动，该运动等效于一个环形电流，称作分子环流，其磁性等效于磁矩pm=iS，其中i为电流强度，S的大小为分子环流平面的面积，方向为环流平面的法线方向，其与环流绕行方向成右手螺旋法则.在通常的材料中，这些分子环流的绕行方向或磁矩方向的排列是无序的(见图1)，但是在铁磁类材料中，邻近的分子环流(或磁矩)会自动形成方向一致的排列，等效于一个更大的环形电流，其对应的磁矩为Pm=∑pm，该区域就是磁畴，见图2.

图1 通常材料中的分子环流示意图(图中的小圆圈代表分子环流，环流上的方向代表电流的绕行方向，与环流平面垂直的小箭头代表相应分子环流的磁矩 pm 方向.)

图2 外磁场B=0条件下的磁畴示意图(图中“→”代表相应磁畴的总磁矩Pm )

1.2 外磁场对磁畴的影响

在没有外磁场时，铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序的(图3(a))，所以铁 磁 质对外不显示磁性.但是当有外磁场时，铁磁质内的磁畴一般经历两种变化:畴壁的移动和磁畴磁矩的转向.磁畴的磁化方向与外磁场方向所成夹角较小的磁畴的体积随着外磁场的强度增强而长大，而与外磁场方向所成夹角较大的磁畴的体积随着外磁场的强度增强而减小；当外磁场的强度继续增大，磁畴的磁化方向发生转向，并与外磁场方向趋于一致，直至完全一致，即达到饱和磁化(图3(d))，这时，铁磁材料便表现出很强的磁性.

图3 外磁场对铁磁材料磁畴的影响示意图

2 磁光存储介质薄膜的制备方法与其磁性微结构特征

2.1 磁光存储介质薄膜的制备方法

磁光存储介质是指磁性存储材料利用激光来“写入”和“读出”数据的存储材料.该类薄膜通常采用溅射淀积和真空蒸发来制备.其中，溅射淀积方法不论是在该类薄膜的研究工作方面，还是在产业化制备该类薄膜方面都是该类薄膜制备最常用的方法，这主要是因为该方法不仅可以淀积单一成分，还可以淀积合金和化合物，并且该方法所制备的薄膜具有很好的成分重复性，例如，Srinivas等于1999年采用溅射淀积方法所制备的Ni/Pt多层膜[4].真空蒸发方法的优点是有利于制备大面积薄膜，同时也具有很好的重复性.但是，蒸发制膜过程与所淀积材料的熔点和蒸气压有关，所以用单靶源淀积合金薄膜会受到一定的限制.通常要求靶源中的不同组分具有非常接近的熔点，例如CoNi合金膜的蒸发制备[5]，其中的Co和Ni就具有相近的熔点，在标准大气压下其熔点分别为1492℃和1453℃.

2.2 磁光存储介质薄膜的磁性微结构特征

磁光存储介质薄膜在理想情况下的磁畴微结构特征可参见图4[6].图4中的小圆柱形象地描述了磁光存储介质薄膜材料中磁畴的分布特征，每个磁畴所对应的合磁矩的方向都与薄膜表面垂直.图5是通过磁光技术给出的铁磁薄膜材料La0.78Ca0.22MnO3的磁畴结构照片[7]，其中用于该测试分析的薄膜是在垂直于晶体生长方向进行的切割.图5中清楚可见磁畴的微结构:在图5的第一幅图中用轮廓线标出，其中深色沟壑对应于相邻磁畴的畴壁.

图4 磁光存储介质薄膜在理想情况下的磁畴微结构示意图

图5 不同温度下的铁磁材料La0.78Ca0.22MnO3的磁畴结构图[6]

3 磁光存储介质薄膜的信号存储机理与二进制

首先来讨论信息是如何存入到存储介质膜中，以及存储介质膜中已写入的信息是如何读取的.在热磁光记录中，微小的柱状磁畴(图4)是信息存储的基本单元.在信息存入到铁磁性磁光存储薄膜材料中时，首先是用激光照射加热要存入信息的局部磁畴区域，使该区域温度上升至其居里点温度(对于亚铁磁性磁光存储材薄膜料，该温度也可以是其补偿温度)，而使该区域失去磁性(或者其矫顽力变得非常的小)；这时减小激光功率，同时附加一个偏磁场，使该区域磁畴的磁化方向按偏磁场的方向磁化，这个过程即实现了信息的写入.磁畴中信息的读取通常采用极向克尔效应来识别，即从膜反射回来的低功率激光束的偏振化方向来测试.当一线偏振光(激光)照射到磁畴并反射回来时，其偏振化方向会发生转向，因为薄膜的多层特点，不同层反射的线偏振光偏振转向角的微小差别，使得其叠加产生的偏振光为椭圆偏振光，该椭圆偏振光主轴的旋转方向依赖于磁畴的磁化方向，换言之，磁畴的磁化方向相反，对应的椭圆偏振光的主轴转向相反(转角大小相同)，这样就实现了磁畴中信息的识别.上述信息写入与读取过程可参见图6(a)、(b).此外，在图6(c)中给出了信息擦除的原理:首先用激光照射加热已写入信息的磁畴区域至其居里点后，减小激光功率，并附加一与写入信息时反向的偏磁场，该区域的信息就被擦除.图6(d)是信息写入前磁畴的磁化方向排布方式(格式化状态)[6].

图6 热磁光记录原理示意图(a)信息写入一个“位”；(b)信息读取；(c)信息擦除；(d)格式化状态

由上面信息记录与读取原理，以及薄膜中磁畴磁化方向的特点(垂直薄膜向上或向下)可以看出磁化方向的向上和向下分别对应于二进制机器语言中的“1”和“0”，或者说磁畴中的总分子环流的顺时针和逆时针旋转方向分别对应于二进制机器语言中的“1”和“0”.

4 结语

通过对磁光记录薄膜材料中磁畴的微观本质、薄膜的微结构特征和计算机信息存储与读取原理的综合分析，给出了二进制机器语言的物理本质是对应于磁光存储薄膜材料中磁畴磁矩的空间取向:向上和向下，或磁畴中总的分子环流的绕行方向:顺时针和逆时针对应于二进制中基本素数“1”和“0”.

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TO SEE BINARY IN COMPUTER MACHINE LANGUAGE WITH “MOLECULAR EYES”

Liu Tianxin1Wu Xiuwen2Xing Jie2Hao Huiying2Zhao Changchun2Gao Lu2

(1School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083；2School of Science,China University of Geosciences,Beijing 100083)

The microcosmic nature of binary in computer machine language was elaborated with thermo-magneto-optic storage medium as an example by combining the microcosmic mechanism of magnetic domain formation,and the preparative technique and the micro-structure of thermo-magneto-optic storage films.The binary prime number “1” and “0” in computer machine language is corresponding to the magnetic moment spatial orientation,up and down,of magnetic domains,or the circling direction,clockwise and anticlockwise,of the resultant molecular circulations in magnetic domains.Three aspects knowledge consisting of physics,materials science and computer science were involved in this paper,which indicated the cross development of different subjects,and the fundamentality of physics to the development of other modern sciences and technologies.

molecular circulation;magneto-optic storage medium;magnetic domain;binary

2015-04-24

教育部高等学校大学物理课程教指委教学研究立项项目(编号:DWJZW201410hb)；北京高等学校教育教学改革立项项目(编号:2014-ms132).

吴秀文，女，教授，主要从事物理学与材料学的教学与研究工作，研究方向为材料物理与化学.wuxw2008@163.com