IBM -gennembrud fanger højhastighedsmålinger af individuelle atomer

(PhysOrg.com)-I sidste uge offentliggjorde IBM-forskere en gennembrudsteknik i det peer-reviewed journal Videnskab der måler, hvor længe et enkelt atom kan indeholde oplysninger, og giver forskere mulighed for at optage, studere og ”visualisere” ekstremt hurtige fænomener inde i disse atomer.

Ligesom de første film frembragte bevægelse gennem højhastighedsfotografering, forskere ved IBM Research - Almaden bruger Scanning Tunneling Microscope som et højhastighedskamera til at registrere individuelle atoms adfærd med en hastighed omkring en million gange hurtigere end tidligere muligt. IBM -forskere i Zürich opfandt Scanning Tunneling Microscope i 1981 og blev tildelt Nobelprisen.

I mere end to årtier har IBM -forskere skubbet grænserne for videnskab ved hjælp af Scanning Tunneling Microscope for at forstå de grundlæggende egenskaber ved stof i atomskala, med et stort potentiale for spilskiftende innovation inden for informationslagring og beregning.

Evnen til at måle nanosekund-hurtige fænomener åbner et nyt område af eksperimenter for forskere, da de nu kan tilføje tidsdimensionen til eksperimenter, hvor der sker ekstremt hurtige ændringer. For at sætte dette i perspektiv, forskellen mellem et nanosekund og et sekund er omtrent den samme sammenligning som et sekund til 30 år. Der sker en enorm mængde fysik i løbet af den tid, som forskere tidligere ikke kunne se.

"Denne teknik udviklet af IBM Research -teamet er en meget vigtig ny kapacitet til at karakterisere små strukturer og forstå, hvad der sker på hurtige tidsskalaer, "sagde Michael Crommie, University of California, Berkeley. "Jeg er især begejstret for muligheden for at generalisere det til andre systemer, såsom solceller, hvor en kombination af høj rumlig og tidsopløsning hjælper os med bedre at forstå forskellige nanoskala -processer, der er vigtige for solenergi, herunder lysabsorbering og ladningsseparation. "

Ud over at lade forskere bedre forstå nanoskala -fænomenerne i solceller, dette gennembrud kunne bruges til at studere områder som:

• Quantum computing. Kvantecomputere er en radikalt anden type computer - ikke bundet til den binære karakter af traditionelle computere - med potentiale til at udføre avancerede beregninger, der ikke er mulige i dag. Med dagens gennembrud, forskere vil få en kraftfuld ny måde at undersøge gennemførligheden af ​​en ny tilgang til kvanteberegning gennem atomspin på overflader.

• Informationsteknologier. Når teknologien nærmer sig atomskalaen, forskere har undersøgt grænserne for magnetisk lagring. Dette gennembrud giver forskere mulighed for at "se" et atoms elektroniske og magnetiske egenskaber og undersøge, om information kan lagres pålideligt på et enkelt atom eller ej.

Hvordan det virker

Da et atoms magnetiske spin ændrer sig for hurtigt til at måle direkte ved hjælp af tidligere tilgængelige Scanning Tunneling Microscope -teknikker, tidsafhængig adfærd registreres stroboskopisk, på en måde, der ligner de teknikker, der først blev brugt til at skabe film, eller som i time lapse fotografering i dag.

Ved hjælp af en "pumpesonde" måleteknik, en hurtigspændingspuls (pumpepulsen) ophidser atomet og en efterfølgende svagere spændingspuls (sondepulsen) måler derefter orienteringen af ​​atomets magnetisme på et bestemt tidspunkt efter excitation. I det væsentlige, tidsforsinkelsen mellem pumpen og sonden indstiller rammetiden for hver måling. Denne forsinkelse varieres derefter trin for trin, og den gennemsnitlige magnetiske bevægelse registreres i små trin. For hver gang, forskerne gentager vekselstrømspulserne omkring 100, 000 gange, som tager mindre end et sekund.

I forsøget, jernatomer blev aflejret på et isolerende lag kun et atom tykt og understøttet på en kobberkrystal. Denne overflade blev valgt for at tillade atomer at blive sonderet elektrisk, samtidig med at deres magnetisme bevares. Jernatomerne blev derefter placeret med atompræcision ved siden af ​​ikke-magnetiske kobberatomer for at kontrollere jernets interaktion med det lokale miljø i nærliggende atomer.

De resulterende strukturer blev derefter målt i nærvær af forskellige magnetiske felter for at afsløre, at den hastighed, hvormed de ændrer deres magnetiske orientering, afhænger følsomt af magnetfeltet. Dette viste, at atomerne slapper af ved hjælp af kvantemekanisk tunneling af atomets magnetiske moment, en spændende proces, hvorved atomets magnetisme kan vende sin retning uden at passere gennem mellemliggende orienteringer. Denne viden kan give forskere mulighed for at konstruere atomernes magnetiske levetid for at gøre dem længere (for at bevare deres magnetiske tilstand) eller kortere (for at skifte til en ny magnetisk tilstand) efter behov for at skabe fremtidige spintronic -enheder.

“Dette gennembrud giver os mulighed for - for første gang - at forstå, hvor lang tid information kan gemmes i et individuelt atom. Ud over dette, teknikken har et stort potentiale, fordi den er anvendelig til mange typer fysik, der sker på nanoskalaen, ”Sagde Sebastian Loth, IBM Research. "IBM's fortsatte investering i undersøgende og grundlæggende videnskab giver os mulighed for at udforske nanoteknologiens store potentiale for IT -industriens fremtid."