Наноученые IBM записали бит данных на единичном атоме — прорыв в ультра-миниатюрной памяти

Представьте, что вся iTunes библиотека из 35 миллионов песен помещается на устройстве размером с кредитную карту. Пока это еще мечта, недавнее исследование IBM Research‑Almaden в Сан-Хосе, Калифорния, приближает нас к этой реальности. Опубликованное в Nature, исследование показывает, как читать и писать один бит данных на единичном атоме — замечательно, целый жесткий диск использует 100,000 до одного миллиона атомов для одного бита.

Единичный гольмиевый атом, редкоземельный элемент, служит самым маленьким в мире магнитом для кодирования одного бита данных.

Как это работает

Биты — фундаментальные единицы информации — могут принимать только значения 0 или 1, как выключатель света. Определение минимального числа атомов, необходимых для создания надежного магнитного бита, было давним вызовом. В этом исследовании команда спроектировала самый маленький магнит когда-либо: единичный гольмиевый атом. Прикрепленный к оксиду магния поверхности, северный и южный полюса атома остаются стабильно выровненными даже когда соседние магниты интерферируют. Эти две ориентации определяют 0 и 1 бита.

Кастомный, изобретенный IBM, нобелевской премией удостоенный сканирующий туннельный микроскоп (STM) доставляет фокусированный ток, переворачивающий магнитную ориентацию атома, позволяя операцию «запись». Тот же STM измеряет результирующий магнитный ток для чтения значения бита. Эта двойная способность чтения/записи отмечает значительную веху в атомно-масштабной памяти.

Встреча с исследователями

Кристофер Лутц, IBM нанонаучный исследователь, использует STM для записи данных на самом маленьком в мире магните.

Кристофер Лутц, физик с бэкграундом в компьютерных науках, давно пионер в атомно-масштабной манипуляции. После краткого перерыва в докторской программе UC Santa Cruz, он присоединился к IBM Research‑Almaden в 1985, где построил параллельный компьютер для симуляции атомной физики. Коллаборация с нобелевским лауреатом Доном Эйглером и позже с Андреасом Хайнрихом, Лутц возглавил более 25 лет прорывных исследований, включая создание самого маленького в мире фильма, «A Boy and His Atom».

«Я смотрю на мир как на серию вычислений», объясняет Лутц. «Расставляя атомы с нанометровой точностью, мы можем строить логические гейты и, как показано в этом исследовании, единичный атом может надежно хранить бит данных».

Постдокторант Кай Ян, из небольшого города в Китае, присоединился к команде после волонтерства как гид по кампусу во время визита IBM. Он вспоминает, как близко проект был к провалу: после месяца неудачных попыток детектировать две стабильные магнитные состояния, команде стоял шестинедельный дедлайн. Работая днем и ночью, они наконец преуспели в 4 утра с прорывной техникой импульсного тока, результат опубликован в Nature.

IBM наноученые Кристофер Лутц (слева) и Кай Ян (справа) в IBM Research‑Almaden.

Благодаря этой работе, Ян признан одним из 35 Инноваторов под 35 MIT Technology Review и теперь служит постдокторантом в IBM.

Глядя вперед, команда продолжает исследовать магнетизм отдельных атомов и их взаимодействия. Расставляя атомы в новые структуры на поверхностях, они используют единичный-атомный спин-резонанс — технику, вдохновленную МРТ — для зондирования магнитных свойств на беспрецедентном разрешении.

Save

Save

Save