單原子存儲器:世界上最小的存儲介質!

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導讀

最近發表於《自然》雜誌上的一項最新突破性研究顯示:一個比特位的數字信息現在可以成功地存儲於單個原子上。目前,市場上商用的磁存儲設備需要大約一百萬個原子才能完成同樣的工作。韓國基礎科學研究院(IBS)量子納米科學中心新任主任 Andreas Heinrich 領導了這項研究,在美國的 IBM 阿爾馬登研究中心發明。這項研究成為了存儲介質小型化方向的重大突破,並且為未來的量子計算機奠定了基礎。

背景

一般來說,我們的電腦都是利用表面覆蓋以磁化金屬層的磁盤,以比特位(0或者1)的形式存儲信息。一個磁化方向代表比特0,另外一個方向代表比特1。

目前,在磁盤上的一小塊區域,就有差不多一百萬個原子,對應於每個數字比特的信息。

創新

對於這項技術具有突破性的創新,它超越了目前的研究,利用最少量的物質:原子,達到存儲數字信息的目的。

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位於氧化鎂基底上的鈥(Ho)和鐵(Fe) 原子,成為了世界上最小的存儲器件的組件。Ho 作為存儲媒介,Fe作為傳感器。鈥原子的磁性可以通過STM設備流出的電流來改變或者讀取。

(圖片來源於:IBS)

下面我們來具體看看這項突破性創新的幾個構成要素:

  • 媒介

這項所用的存儲媒介是鈥原子,用於存放比特信息。

  • 工具

研究中使用到了一種很易見的工具,該工具稱為“掃描式隧道顯微鏡”(STM)。它能讓用戶觀察和移動單個原子,同時對它們施加電流脈衝。

電流脈衝改變單個鈥原子的磁化方向,這樣一來,研究團隊就可以利用單個鈥原子向存儲器寫入1或者0。

  • 傳感器

Heinrich 團隊也設計了一種量子傳感器,目前在全世界範圍內是獨一無二的。

它可用於讀取以鈥原子形式存儲的存儲器。他們在鈥原子附近放置了一個鐵原子。研究人員使用這項技術,加上另外一種隧穿磁阻的技術,觀察到鈥在幾小時內穩定地保持同樣的磁狀態。

驚喜

那麼,當 Heinrich 團隊進一步嚐試用兩個鈥原子取代一個鈥原子的方案時,他們又有了另外一個驚喜的發現:

以1納米的距離放置兩個鈥原子,並不影響他們各自存儲信息的能力。

這確實是一個驚喜,因為一般來說,每個原子產生的磁場可能會影響相鄰的原子。

這樣一來,科學家就可以構建兩比特的設備,具有四種可能的狀態:1-1、0-0、1-0 、0-1 。鐵傳感器能夠清楚地對它們加以區分。

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兩比特存儲設備(a) 鐵原子位於兩個鈥原子附近。(b)鐵原子的電子自旋諧振信號,由於兩個鈥原子磁性不同而不同。鐵原子可以區分出四種存儲配置:下下( 0-0), 下上 (0-1), 上下 (1-0), 上上 (1-1)。

(圖片來源於:IBS)

摩爾定律的新希望

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摩爾定律的非凡結論

(圖片來源於:IBS)

摩爾定律指出每18個月,集成電路上的晶體管密度可翻一這幾十年來,半導體產業的發展證明了這一定律。最新的電子設備比之前的會更小,更強大。

然而,隨著設備變得越來越小,因為原子相互靠近,會產生新的量子干擾特性,從而引發問題。為了這種小型化的趨勢似乎無法長久維系,專家們開始討論摩爾定律的死亡。

有興趣的是,鈥原子似乎可以逃脫這一魔咒,但是目前原因尚不明。Heinrich 指出,

在鈥原子之間沒有量子力學效應,我們現在想要搞清楚為什麼。”

意義

鈥原子的磁性可以通過STM設備流出的電流來改變或者讀取。

(圖片來源於:IBS)

鈥原子可以非常緊密地排列在一起,所以使用單原子技術,存儲密度會變得很高。Heinrich 評論說:

“我們希望根據我們的想法,精確地控製單個原子,從而進行量子納米科學領域新的探索。這項研究將促進商業存儲媒介領域的創新,使得存儲設備更加小型化。”

未來

Heinrich 是世界上為數不多地使用這個工具測量改變單個原子屬性的科學家之一。他希望在新創建的首爾梨花女子大學IBS研究中心,繼續拓展這一研究。

參考資料

【1】http://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=14355

【2】Fabian D. Natterer, Kai Yang, William Paul, Philip Willke, Taeyoung Choi, Thomas Greber, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz. Reading and writing single-atom magnets. Nature, 2017; 543 (7644): 226 DOI: 10.1038/nature21371

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