Как они это сделали:знакомство с нанологами IBM, которые хранили данные на одном атоме

Представьте, что вы храните всю библиотеку iTunes из 35 миллионов песен на устройстве размером с кредитную карту. Хотя это пока невозможно, но может быть когда-нибудь - благодаря недавнему исследованию нанонаучных из IBM Research - Almaden в Сан-Хосе, Калифорния, которое было опубликовано в Nature . В статье нанонаучные продемонстрировали способность читать и записывать один бит данных на одном атоме . . Для сравнения:современные жесткие диски используют от 100 000 до 1 миллиона атомов для хранения одного бита информации.

Один атом гольмия, редкоземельного элемента, используется как самый маленький магнит в мире для хранения одного бита данных.

Как это работало

Самая основная информация, которую понимает компьютер, - это бит. Подобно свету, который можно включить или выключить, бит может иметь только одно из двух значений:1 или 0. До сих пор было неизвестно, сколько атомов потребуется для создания надежного бита магнитной памяти.

В этом исследовании наноученые создали самый маленький магнит в мире - отдельный атом. Подобно магниту на холодильнике, у этого был северный и южный магнитные полюса, но он состоял всего из одного атома элемента гольмия. Одиночный атом гольмия был прикреплен к тщательно подобранной поверхности, оксиду магния, который заставлял его северный и южный полюсы удерживаться в стабильном направлении, даже когда его нарушали, например, другие расположенные поблизости магниты. Две стабильные магнитные ориентации определили 1 и 0 долота. Острая металлическая игла специального микроскопа (изобретенный IBM, получивший Нобелевскую премию сканирующий туннельный микроскоп) вводила ток, который менял магнитные северный и южный полюса атома и, таким образом, изменял его между 1 и 0. Это соответствовало « запись »на жесткий диск. Затем нанотехнологы IBM могли измерить магнитный ток, проходящий через атом, чтобы определить, было ли его значение 1 или 0. Это был процесс «чтения».

Познакомьтесь с исследователями

Кристофер Лутц , Исследователь нанонауки IBM, использует изобретенный IBM микроскоп, удостоенный Нобелевской премии, для хранения данных на самом маленьком магните в мире.

Кристофер Лутц не новичок в инновациях. В возрасте девяти лет он заявил своим родителям, обоим художникам:«Думаю, я собираюсь стать физиком».

Тем не менее, Крис начал свою академическую карьеру как ученый-компьютерщик. В 1985 году из-за нехватки денег и энергии Крис взял отпуск из своей докторской программы Калифорнийского университета в Санта-Круз и решил устроиться на летнюю работу в IBM Research - Almaden. Крис построил параллельный компьютер для моделирования физики атомов, удовлетворив свои детские поиски. В конце концов, Крис объединился с известным нанонаучным Доном Эйглером, сотрудником IBM. Позже к ним присоединился Андреас Генрих, который сейчас работает в Центре квантовой нанонауки в Сеуле, и они опубликовали серию исследований за последние 25 лет, в которых использовалась их способность перемещать отдельные атомы. Они также создали самый маленький в мире фильм, получивший название «Мальчик и его атом», - покадровую анимацию с использованием последовательности изображений, собранных из отдельных атомов.

Страсть Криса к нанонауке проистекает из его уникального взгляда на мир. «Когда я смотрю на мир, я вижу серию вычислений», - сказал Крис. «Например, лист, падающий с дерева, выполняет множество вычислений в процессе падения. В грубом масштабе его движение учитывает силу тяжести и сопротивление воздуха для определения скорости падения. Присмотритесь, и движения атомов выполняют сложные вычисления, чтобы следовать законам физики. Моя работа в IBM сосредоточена на поиске способов понять закономерности в крошечном мире атомов и как направить их на выполнение нужных нам вычислений. Например, мы сделали самые маленькие в мире взаимосвязанные логические ворота, используя точное расположение молекул. В этом последнем исследовании один атом выполнял важную часть вычислений:хранил для нас немного данных ».

На сегодняшний день Крис опубликовал десятки исследований по нанонаукам, некоторые из которых вошли в учебные программы университетов по всему миру. Кай Янг, научный сотрудник IBM, получивший докторскую степень, который сейчас работает с Крисом, знает это не понаслышке. Кай родился в небольшом китайском городке и изучал нанонаучные исследования IBM в своем местном университете. В какой-то момент, когда он услышал, что члены команды нанонауки IBM Research посещают кампус его колледжа, он

Ученые-нанологи IBM Кристофер Лутц (слева) и Кай Янг (справа) из IBM Research - Almaden в Сан-Хосе, Калифорния.

с энтузиазмом вызвался стать гидом команды по кампусу, чтобы он мог познакомиться со своими героями из учебников. Эта поездка привела к тому, что Кай прошел стажировку в лаборатории IBM Research в Альмадене, где он работал с Крисом Лутцем и его командой над исследованием «один бит на один атом».

По словам Кая, это было исследование, которого почти не было. После месяца попыток измерить две стабильные магнитные ориентации атомов гольмия команде все еще не удалось. Команда дала себе шесть недель, чтобы доказать, что атом гольмия является стабильным магнитным битом - в противном случае исследование было бы завершено. Убежденный, что он сможет это осуществить, Кай и его команда, включая приглашенного ученого Фабиана Наттерера, буквально работали в лаборатории днем ​​и ночью, чтобы показать, что это можно сделать в приближающийся срок. Наконец, в 4 часа утра в лаборатории ранним утром команда смогла продемонстрировать две стабильные магнитные ориентации одного атома гольмия. Ключом было понимание того, что атом настолько стабилен, что им приходилось активно переключать его между состояниями, пропуская через него импульс электрического тока. Это был результат, который они в конечном итоге опубликовали в Nature . .

«Я рад, что мы не сдались», - сказал Кай, который недавно был принят на работу в IBM в качестве постдокторского исследователя и номинирован в список «35 новаторов моложе 35 лет» Массачусетского технологического института на основе его выдающейся работы.

Наноученые IBM продолжают исследовать магнетизм отдельных атомов и способы их взаимодействия, организуя их точно на поверхности в структуры, которые в противном случае не существовали бы. Магнитные свойства воспринимаются с помощью их нового мощного метода спинового резонанса одиночных атомов, который использует ту же физику, что и МРТ, но применяется к отдельным атомам.

Сохранить

Сохранить

Сохранить