Основные компоненты компьютеров становятся настолько малыми, что постепенно сталкиваются с давлением границ привычного мира ньютоновской физики. И нигде масштаб и точность операций не показана лучше, чем на жестких дисках, где триллион битов может вписываться в квадратный дюйм. IBM удалось превзойти этот сценарий: ученые научились записывать и считывать данные в едином атоме.
Пока это достижение может быть больше символическим, чем практическим, но даже простая демонстрация примера рабочего атомного хранилища данных может показаться практически научной фантастикой.
Возможно, вас это не удивит, но атомы это самая маленькая единица материи, которой мы можем надежно манипулировать и рассчитывать на то, что она будет неподвижной. Проводятся интересные эксперименты с запутыванием фотоном, но они довольно шустрые, даже чересчур. Пока мы еще стараемся держаться вещей, которые не ускользнут в мгновение ока, если вы ослабите хватку на секунду. И предыдущая техника атомарного хранения фактически не сохраняет данные в атоме, а перемещает их с образованием считываемых паттернов (тоже интересно, кстати).
Это значит, что задать отдельным атомам значения 0 и 1 будет следующим крупным шагом вперед и следующим крупным барьером в области хранения данных в цифровом виде, что позволит на порядок увеличить емкость накопителей, и представит совершенно новую задачу для инженеров и физиков. Эксперимент IBM, опубликованный на днях в Nature, приводит настоящее атомное хранилище от теории к реальности.
Работает оно так: отдельный атом гольмия (большой, со множеством электронов без пары) устанавливается на слое окиси магния. В этой конфигурации атом имеет так называемую магнитную бистабильность: у него есть два магнитных стабильных состояния с разными спинами (просто запомните это).
Ученые используют сканирующий туннельный микроскоп (также изобретенный IBM в 1980-х годах), чтобы приложить около 150 милливольт на 10 микроампер к атому — может показаться, что это не много, но на таких масштабах это подобно удару молнии. Этот огромный приток электронов заставляет атом гольмия переключать свое магнитное спиновое состояние. Поскольку два состояния имеют разные профили проводимости, кончик сканирующего туннельного микроскопа может определить, в каком состоянии находится атом, подавая более низкое напряжение (около 75 милливольт) и ощущая его сопротивление.
Чтобы быть абсолютно уверенным в том, что атом меняет свое магнитное состояние и это не является результатом интерференции или воздействия электрического шторма СТМ, ученые установили рядом с ним атом железа. Этот атом находится под воздействием его магнитной окрестности и реагирует не так, как атом гольмия в разных состояниях. Это доказывает, что эксперимент действительно создает надежное, сохраненное магнитное состояние в отдельном атоме, которое можно определять косвенно.
И вот что мы делаем дальше: отдельный атом используется для хранения известных нам нулей и единиц, 0 и 1. Экспериментаторы сделали пары атомов, чтобы сформировать четыре бинарных комбинации (00, 01, 10, 11), которые можно создать из такого узла.
«Чтобы продемонстрировать независимое считывание и запись, мы построили атомную структуру из двух битов гольмия, в которой мы записали четыре возможных состояния и которые мы считали как магниторезистивно, так и удаленно с помощью электронного спинового резонанса. Высокая магнитная стабильность в сочетании с электрическим считыванием и записью показывает, что магнитная память из одного атома вполне возможна».
Крис Лутц, исследователь нанотехнологий в лаборатории IBM в Алмадене, один из авторов работы, рассказал, что заставило атом в конечном итоге потерять свой спин.
«Поскольку атомы нагреваются, мы ожидаем, что они начнут спонтанно переворачиваться. Потому что тепловая энергия представляет собой значительную часть энергетического барьера между состояниями. На практике при создании памяти понадобится увеличить этот барьер за счет использования нескольких сопряженных атомов или инновационных методов работы с отдельными атомами».
Если это немного ослабит ваш энтузиазм — что они планируют работать с молекулами, а не с отдельными атомами — не переживайте. Один из экспериментов 2016 года, в котором был превышен терабит на квадратный дюйм, использовал магнитные гранулы диаметром всего 5 нанометров. Атом гольмия в поперечнике около 200 пикометров; можно было бы выложить 25 таких от одного конца гранулы до другого — если бы у атома были «концы». Удвоение изначального объема не сильно скажется на возможностях хранения — а там и другие варианты подойдут.
«Мы планируем исследовать атомы других элементов, скопления атомов и небольшие молекулы в качестве возможных магнитных битов», пишет Лутц.
Пройдет много времени, прежде чем вы сможете использовать один из таких на своем ноутбуке. Пока эта область неразрывно связана с лабораторией, сверхнизкими температурами и сверхточными приборами. Будет ли там, внизу, еще место?
