IBM довела можливість зберігання інформації в одному атомі

Основні компоненти комп'ютерів стають настільки малими, що поступово стикаються з тиском кордонів звичного світу ньютонівської фізики. І ніде масштаб і точність операцій не показана краще, ніж на жорстких дисках, де трильйон бітів може вписуватися в квадратний дюйм. IBM вдалося перевершити цей сценарій: вчені навчилися записувати і зчитувати дані в єдиному атомі.

Поки це досягнення може бути більше символічним, ніж практичним, але навіть проста демонстрація прикладу робочого атомного сховища даних може здатися практично науковою фантастикою.

Можливо, вас це не здивує, але атоми це найменша одиниця матерії, якою ми можемо надійно маніпулювати і розраховувати на те, що вона буде нерухомою. Проводяться цікаві експерименти з запутыванием фотоном, але вони досить спритні, навіть занадто. Поки ми ще намагаємося триматися речей, які не вислизнуть в мить ока, якщо ви послабити хватку на секунду. І попередня техніка атомарного зберігання фактично не зберігає дані в атомі, а переміщує їх з утворенням прочитуваних патернів (теж цікаво, до речі).

Це означає, що задати окремим атомам значення 0 і 1 буде наступним великим кроком вперед і наступним великим бар'єром в області зберігання даних у цифровому вигляді, що дозволить на порядок збільшити ємність накопичувачів, і представить абсолютно нову завдання для інженерів і фізиків. Експеримент IBM, опублікований днями в Nature, призводить даний атомне сховище від теорії до реальності.

Працює воно так: окремий атом гольма (великий, з безліччю електронів без пари) встановлюється на шарі окислу магнію. У цій конфігурації атом має так звану магнітну бистабильность: у нього є два магнітних стабільних стани з різними спінами (просто запам'ятайте це).

Вчені використовують скануючий тунельний мікроскоп (також винайдений IBM в 1980-х роках), щоб докласти близько 150 мілівольт на 10 мікроампер до атома — може здатися, що це не багато, але на таких масштабах це подібно удару блискавки. Цей величезний приплив електронів змушує атом гольма перемикати своє магнітне спін стан. Оскільки два стани мають різні профілі провідності, кінчик скануючого тунельного мікроскопа може визначити, у якому стані знаходиться атом, подаючи більш низька напруга (близько 75 мілівольт) і відчуваючи його опір.

Щоб бути абсолютно впевненим у тому, що атом змінює своє магнітне стан і це не є результатом інтерференції або впливу електричного шторму ВТМ, вчені встановили поруч з ним атом заліза. Цей атом знаходиться під впливом його магнітної околиці і реагує не так, як атом гольма в різних станах. Це доводить, що експеримент дійсно створює надійне, збережене магнітне стан в окремому атомі, яке можна визначати побічно.

І ось що ми робимо далі: окремий атом використовується для зберігання відомих нам нулів і одиниць, 0 і 1. Експериментатори зробили пари атомів, щоб сформувати чотири двійкові комбінації (00, 01, 10, 11), які можна створити з такого вузла.

«Щоб продемонструвати незалежне зчитування і запис, ми побудували атомну структуру з двох бітів гольма, в якій ми записали чотири можливих стани і які ми вважали як магниторезистивно, так і віддалено за допомогою електронного спінового резонансу. Висока магнітна стабільність у поєднанні з електричним зчитуванням і записом показує, що магнітна пам'ять з одного атома цілком можлива».

Кріс Лутц, дослідник нанотехнологій в лабораторії IBM в Алмадене, один з авторів роботи, розповів, що змусило атом в кінцевому підсумку втратити свій спін.

«Оскільки атоми нагріваються, ми очікуємо, що вони почнуть спонтанно перевертатися. Тому що теплова енергія являє собою значну частину енергетичного бар'єру між станами. На практиці при створенні пам'яті знадобиться збільшити цей бар'єр за рахунок використання декількох зв'язаних атомів або інноваційних методів роботи з окремими атомами».

Якщо це трохи послабить ваш ентузіазм — що вони планують працювати з молекулами, а не з окремими атомами — не переживайте. Один з експериментів 2016 року, у якому був перевищений терабіт на квадратний дюйм, використовував магнітні гранули діаметром всього 5 нанометрів. Атом гольма в поперечнику близько 200 пикометров; можна було б викласти 25 таких, від одного кінця гранули до іншого — якщо б у атома були «кінці». Подвоєння початкового об'єму не сильно позначиться на можливостях зберігання — а там і інші варіанти підійдуть.

«Ми плануємо дослідити атоми інших елементів, скупчення атомів і невеликі молекули в якості можливих магнітних бітів», пише Лутц.

Пройде багато часу, перш ніж ви зможете використовувати один з таких на своєму ноутбуці. Поки ця область нерозривно пов'язана з лабораторією, наднизькими температурами і точними приладами. Чи буде там, внизу, ще місце?