Forskere opdager ny mekanisme til informationslagring i ét atom

Forskere ved Radboud Universitet opdagede en ny mekanisme til magnetisk lagring af information i den mindste stofenhed:et enkelt atom. Mens principbeviset blev demonstreret ved meget lave temperaturer, denne mekanisme viser lovende for stuetemperaturdrift. På denne måde det vil være muligt at gemme tusindvis af gange mere information end på nuværende harddiske. Deres resultater er offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Da vores nuværende computerarkitektur ikke bliver meget hurtigere og bruger meget strøm, kombineret med de eksploderende krav om at opbevare information, forskere er interesserede i nye strategier til at lagre mere information på en energieffektiv måde. En potentiel vej er at lagre information ved den ultimative skaleringsgrænse:et enkelt atom. "Computere har nået fundamentale begrænsninger for, hvor meget bedre de kan blive, skabe en enorm efterspørgsel i materialeforskning efter alternativer. Moderne computere bruger meget strøm, kræver i øjeblikket mere end 5 procent af verdens elektricitet. Fundamental videnskab siger, at vi kan vinde meget mere i energieffektivitet. Vi fokuserer på en meget grundlæggende komponent i moderne computere:lidt hukommelse. Vi bruger atomer, fordi de er den mindste enhed af stof og også sætter os i stand til yderligere at forstå den grundlæggende videnskab bag deres adfærd. Vores nuværende spørgsmål:hvordan kan vi gemme information i et enkelt atom, og hvor stabilt kan vi gøre det stykke information?", forklarer førsteforfatter Brian Kiraly.

Atomer skal stoppe med at vende for at lagre information

Når du kommer ned til enkelt atom niveau, atomer, der er magnetiske, ikke længere forblive stabile. "Det, der definerer en permanent magnet er, at den har en nord- og en sydpol, som forbliver i samme retning, " Professor i Scanning Probe Microscopy Alexander Khajetoorians forklarer, "Men når du kommer ned til et enkelt atom, atomets nord- og sydpol begynder at vende og ved ikke, hvilken retning de skal pege, da de bliver ekstremt følsomme over for deres omgivelser. Hvis du vil have et magnetisk atom til at indeholde information, den kan ikke vende. I de sidste ti år har forskere spurgt:For at atomet skal holde op med at vende, hvor mange atomer er nødvendige for at stabilisere magneten, og hvor længe kan den opbevare den information, før den vender igen? I de sidste to år har videnskabsmænd i Lausanne og hos IBM Almaden har fundet ud af, hvordan man forhindrer atomet i at vende, viser, at et enkelt atom kan være et minde. At gøre dette, forskere måtte bruge meget lave temperaturer, 40 Kelvin eller -233 grader Celsius. Denne teknologi er begrænset til ekstremt lave temperaturer."

Forskere ved Radboud Universitet tog en anden tilgang. Ved at vælge et specielt substrat - halvledende sort fosfor -, de opdagede en ny måde at lagre information i enkelte koboltatomer, der omgår de konventionelle problemer med ustabilitet. Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop, hvor en skarp metalspids bevæger sig hen over deres overflade kun få atomer væk, de kunne "se" enkelte koboltatomer på overfladen af ​​sort fosfor. På grund af den ekstremt høje opløsning og materialets særlige egenskaber, de viste direkte, at de enkelte koboltatomer kunne manipuleres til en af ​​to bittilstande.

Højere stabilitet end tidligere magneter

Elektronerne i et atom kredser om kernen, men også "snurrer" sig selv, meget ligesom Jorden roterer både omkring Solen og sin egen akse. Det samlede beløb, det drejer, eller dets vinkelmomentum, er det, der giver os magnetisme. "I stedet for dette spin-vinkelmomentum, som tidligere forskere har brugt, vi fandt ud af en måde at gøre en energiforskel mellem nogle få af cobaltatomets orbitaler og nu bruge det orbitale vinkelmomentum til vores atomare hukommelse. Dette har en meget større energibarriere og kan være levedygtigt for at gøre enkeltatomhukommelsen stabil ved stuetemperatur.

Til sidst, det er stadig en magnet med et vinkelmomentum, men vi er nu i stand til at styre atomet fra 0 til 1 tilstand, som har en meget højere stabilitet end andre magneter, " siger Kiraly. "Da vi første gang udførte eksperimentet og så denne binære skift, vi var ikke sikre på, hvad der foregik. I et smukt samarbejde med teoretikere fra Radboud Universitet, Misha Katsnelson og Sasha Rudenko, vi var i stand til at påpege, at vi observerede atomets kredsløbsmoment og havde skabt en ny hukommelse, " tilføjer Khajetoorians.

Gem tusind gange mere information

Lige nu, de elementer, der lagrer harddiskbits, er stadig tusind gange større end et atom. Khajetoorians:"Det, dette arbejde betyder, er, at hvis vi kunne konstruere en rigtig harddisk ud fra alle disse atomer – og det er vi stadig langt fra – kunne du lagre tusindvis af gange mere information."