أصغر مغناطيس في العالم 2017. الصورة: آي بي إماقترب فريق دولي بقيادة فرق من مركز أبحاث IBM Almaden ومدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان من الحد المطلق للنهج الكلاسيكي لتخزين المعلومات على الوسائط المادية.
ابتكر العلماء أصغر مغناطيس في العالم على ذرة واحدة وكتبوا بتة واحدة من البيانات هناك. لفهم: في محركات الأقراص الصلبة الحديثة ، يتم استخدام ما يقرب من 100000 ذرة لتسجيل بت واحد.
تفتح كتابة وقراءة المعلومات على المستوى الذري فرصًا لا تصدق لإنشاء محركات أقراص أصغر وقدرات أكبر.
حتى الآن ، كانت
العناقيد المكونة من 3-12 ذرة هي الحد الأقصى للبتات المغناطيسية القابلة للعنونة. في الوقت نفسه ، تم إثبات فترات طويلة من الاسترخاء المغناطيسي لذرات
اللانثينيد الفردية في المغناطيس الجزيئي ، اللانثينيدات في البلورات ، ومؤخرًا في ذرات الهولميوم (Ho) على ركيزة عازلة من أكسيد المغنيسيوم (MgO).
اللانثينيدات هي عائلة مكونة من 15 فلزًا أرضيًا نادرًا بأرقام ذرية 57-71 (من اللانثانم إلى اللوتيتيوم). في جميع اللانثينيدات من السيريوم إلى الإيتيربيوم ، يتم تعبئة القشرة الفرعية 4f. تمنح إلكترونات 4f غير المزاوجة بعض هذه المعادن بخصائص مغناطيسية فريدة (على سبيل المثال ، في النيوديميوم).
لذلك ، ونتيجة للتجارب الأخيرة ، أصبح من الواضح أن ذرات اللانثينيد الفردية قادرة على الحفاظ على حالة مغناطيسية لفترة طويلة. أشارت هذه النتائج إلى مسار واضح لمزيد من التجارب ، والتي ستسمح لنا بإدخال التخزين الحقيقي للمعلومات على المستوى الذري. كانت هناك مشكلة تكنولوجية واحدة فقط - كيفية الوصول إلى المراكز المغناطيسية الفردية للذرات ، أي كيفية الممارسة العملية لقراءة الحالة بطريقة موثوقة ودقيقة؟
الآن تمكن باحثون من مركز أبحاث IBM Almaden
من حل هذه المشكلة . ووجدوا طريقة لجذب الذرات الفردية وأثبتوا أن الحالة الممغنطة تستمر لفترة طويلة.
تم تسجيل المعلومات عن طريق النبضات الكهربائية باستخدام مجهر المسح النفقي. يتبادل كل نبض القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي للذرة ، وهو ما يتوافق مع القيم 0 و 1.
يستخدم د. كريستوفر لوتز من IBM Research ميكروسكوب الأنفاق IBM Scanning لجائزة نوبل لكتابة البيانات إلى مغناطيس أحادي الذرةتمت قراءة حالة ذرات الهولميوم باستخدام تأثير
المقاومة المغناطيسية للنفق . على مسافة حوالي 1 نانومتر ، يتم وضع ذرة حديد (Fe) بجوار ذرة هولميوم ، والتي يحدث معها رنين دوران إلكتروني أحادي (رنين
إلكتروني مغناطيسي بسبب دوران الإلكترونات). أي أن ذرة الحديد يمكنها اكتشاف الحالة المغناطيسية لذرة هولميوم.
إعداد تجريبي وتبديل الحالة المغناطيسية لذرة هولميوم باستخدام مقياس مغناطيسي محلي قريب من ذرة حديديةتحدثت شركة IBM
عن مستشعر ذرة الحديد
قبل عام . هذا هو ممثل لفئة جديدة من أجهزة الاستشعار التي اخترعتها IBM في عام 2015 - ما يسمى بمستشعرات صدى الإلكترون (أجهزة استشعار ESR). أصبح من الواضح الآن سبب حاجة الشركة لهذه التكنولوجيا. يشبه مبدأ تشغيل المستشعر مبدأ التصوير بالرنين المغناطيسي ، هنا فقط يتم تطبيقه على الذرات الفردية. النقطة هي أنه عندما يصل تردد وشدة المجال المغناطيسي إلى قيم معينة ، يخرج الإلكترون غير المصفى في ذرة الهولميوم من التوازن الحراري الديناميكي. تم الكشف عن هذه الزيادة الحادة (انظر الرسم البياني أدناه) بواسطة مستشعر ESR. اعتمادًا على الحالات المغناطيسية المحتملة للهولميوم ، يمكن أن يحدث انفجار في أحد الترددات المحتملة.
باستخدام ذرة الحديد (مستشعر ESR) ، يصبح من الممكن قراءة الحالة المغناطيسية لذرة الهولميوم ، أي للتعرف على الخادم وأقطاب الجنوب لذرات الهولميوم. نظرًا لأن لدينا طريقة لتغيير هذه الحالة عن طريق النبضات الكهربائية من خلال مجهر المسح النفقي ، فإننا نحصل على نظام فعال بالكامل لتسجيل وقراءة المعلومات الرقمية. تتطابق حالتان محتملتان للمجال المغناطيسي لذرة هولميوم مع القيمتين 0 و 1.
في تجربة IBM ، ثبت أن أحد أجهزة استشعار ESR يمكنه قراءة البيانات من ذرتي هولميوم بنجاح.
نُشر المقال العلمي في مجلة
Nature في 8 مارس 2017 (doi: 10.1038 / nature21371).
من المثير للاهتمام ، إذا كانت 1 بت تتوافق مع ذرة واحدة ، فيمكن عندئذ قياس المعلومات بالوزن ، أي بالجرام. على سبيل المثال ، يحتوي جرام واحد من الهولميوم على 3.65 × 10
21 ذرة (الوزن الذري للهولميوم هو 164.93032 جم / مول ، رقم أفوجادرو هو 6.02214179 × 10
23 ) ، ويتم الحصول على ما يقرب من 3.65 زيتتابيت من المعلومات.
وبالتالي ، يخزن 1 جرام من محرك الأقراص 456 ميجا بايت من البيانات.
لا يعتقد الدكتور لوتز أن ذرات الهولميوم ستحل محل أجهزة التخزين المنزلية في المستقبل القريب ، لأنك تحتاج بعد ذلك إلى تثبيت مجهر مسح نفق في المنزل يعمل عند 4 K بحيث لا تعمل الذرات ذات المعلومات المسجلة بعيدًا. في الأجهزة المحمولة ، سيكون من الصعب إنشاء مثل هذه الظروف.
ومع ذلك ، فإن الفيزيائي متفائل بشأن احتمالات أجهزة استشعار ESR الأحادية ، التي قدراتها مذهلة حقًا.