الذاكرة الذرية: أبجدية 8 بت ونغمة 192 بت من ماريو

من وجهة نظر العلم ، عالمنا الجميل المحيط بنا هو تدفق لا نهائي من البيانات. كل تغريدة ، كل تعليق تحت فيديو يوتيوب ، المراسلات مع الأقارب من خلال الرسائل الفورية والأفلام والألعاب والكتب الرقمية ، إلخ. الخ. كل هذا يشكل ما يسمى مجال المعلومات للأرض. يتزايد تركيز البيانات فيها كل عام. لذا ، بحلول عام 2025 ، سيكون إجمالي كمية البيانات في العالم 163 زيتابايت (وفقًا لمجلة فوربس ). على سبيل المثال ، لدي محرك أقراص خارجي بسعة 1 تيرابايت ، والتي ليست بالمعايير الحديثة الكثير. 163 زيتا بايت تعادل 163 مليار قرص صلب. تبلغ مساحة هذه المجموعة من الناقلات حوالي 1.47 طن متري ² (1 طن = 10 ¹² م) ، ناهيك عن كتلة 26.080.000 طن.

هذه كلها أرقام مضحكة ، لكن مشكلة تخزين كمية كبيرة من البيانات موجودة ، ويحاول العديد من العلماء في العالم حلها. استطاع أبطالنا اليوم تحسين اختراعهم باستخدام تقنية الذاكرة الذرية. كيف أدركوا هذا ومتى ستصبح هذه التكنولوجيا متاحة للجمهور سنتعلم من تقريرهم. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

الاهتمام النشط للعديد من العلماء هو البحث والتطوير للأجهزة الذرية. القدرة على التلاعب بالذرات دفعت الكثيرين إلى توسيع مهمتهم. وهكذا ظهر مفهوم "الذاكرة الذرية" ، بعبارة أخرى ، إنها القدرة على كتابة البيانات عن الذرة نفسها. هذه الأفكار ليست جديدة. في عام 1959 ، قال الفيزيائي ريتشارد فاينمان أن جميع الكتب المكتوبة خلال حياة الشخص يمكن وضعها في مكعب بعرض 0.1 مم إذا كانت كل ذرة تحتوي على 1 بت على الأقل من المعلومات. كان هذا الخيال العلمي حقًا رؤية للمستقبل لدينا الآن.


لم أستطع إضافة مقطع فيديو حيث يتحدث السيد فينمان بشكل مثير للاهتمام ، بشكل واضح وحيوي عن بعض الأشياء المثيرة للاهتمام حول الذرات

ومع ذلك ، من الصعب للغاية تنفيذ الأجهزة ذات الحجم الذري خارج المختبرات بسبب عدم استقرارها في درجات حرارة الغرفة والعزل الإلكتروني عن الركائز الداعمة. جاءت الطباعة الحجرية الهيدروجينية للإنقاذ ، أي إزالة ذرات الهيدروجين من سطح السيليكون الممر بالهيدروجين * . تساعد تقنية مماثلة على التخلص من عيوب الأجهزة الذرية الموصوفة أعلاه دون الحاجة إلى مواد محددة. حتى وقت قريب ، لا يزال من المستحيل إنشاء أنظمة ذرية كبيرة باستخدام الطباعة الحجرية الهيدروجينية التي ستعمل بدون أخطاء.

التخميل * - تشكيل طبقة رقيقة ذات مقاومة عالية على الجسم.

لإجراء الطباعة الحجرية الهيدروجينية ، يمكنك استخدام مجهر المسح النفقي (STM) * ، والذي يمكن من خلاله تدمير بعض مركبات Si - H (سيليكون - هيدروجين) عن طريق تشتيت الإلكترونات غير المرن منخفض الطاقة * للإلكترونات ، وبالتالي الكشف عن رابطة متدلية * لذرة السيليكون الكامنة.


التخطيطي STM

التشتت غير المرن * هو تصادم بين الجسيمات ، مما يؤدي إلى تغيير في حالتها ، أو تكوين جزيئات جديدة ، أو التحول إلى أخرى ، أو ولادة جزيئات جديدة.

الرابطة المتدلية * عبارة عن غلاف غير معبأ لذرة في جزيء أو صلب.

أصبحت الروابط المتدلية لذرات السيليكون مكونًا مهمًا في الدراسة لأنها ، مثل نوع من النقاط الكمية الذرية * ، والتي تظل حالتها الإلكترونية معزولة داخل فجوة النطاق * للسيليكون.

النقطة الكمومية * (أو "الذرة الاصطناعية") هي جسيم أشباه الموصلات. نظرًا لصغر حجمها ، تختلف خصائصها البصرية والإلكترونية تمامًا عن تلك الخاصة بالجسيمات الأكبر.

المنطقة المحرمة * هي نطاق قيم الطاقة التي لا يمكن للإلكترون امتلاكها في جسم بلوري مثالي.

ميزة أخرى مهمة للسندات المتدلية هي استقرارها عند درجات حرارة حوالي 500 كلفن (226.85 درجة مئوية).

من الواضح أن الطباعة الحجرية الهيدروجينية تخفي مسارًا لحل مشاكل الأجهزة الذرية ، بما في ذلك الذاكرة الذرية. ولكن من أجل التنفيذ العملي لهذه الأجهزة ، من الضروري تحقيق مستوى أخطاء 0 ٪ ، وهو أمر صعب للغاية. لذلك ، كان اهتمام العلماء يهدف إلى زيادة الدقة الذرية ، لأن الإزالة الخاطئة لذرة هيدروجين واحدة على الأقل يمكن أن تؤدي إلى عدم عمل النظام بأكمله. طريقة جديدة لتصحيح الأخطاء في الطباعة الحجرية الهيدروجينية باستخدام مجهر القوة الذرية المبردة (AFM) * ، عندما تم إعادة ترميم روابط التعلق الفردية عن طريق إبرة مجهرية مغلفة بالهيدروجين ، يمكن أن تحل مشكلة مماثلة. ومرة أخرى ، يواجه العلماء مشكلة. هذه المرة هي سرعة الإجراء. على الرغم من الكفاءة العالية لتسوية أخطاء الطباعة الحجرية ، تستغرق العملية 10 ثوان لاتصال متدلي واحد. بالإضافة إلى ذلك ، تتم إضافة التأخيرات بسبب الحاجة إلى استخدام اثنين من ردود الفعل الفردية وإعادة طلاء الإبرة بالهيدروجين بعد كل إجراء. وبعبارة أخرى ، على الرغم من أن التقنية تظهر نتائج ممتازة ، إلا أنها تستغرق الكثير من الوقت.

AFM * - مجهر يسمح لك بتحديد تضاريس السطح بدقة تصل إلى الذرية.


مخطط تشغيل AFM

تفاصيل إنشاء العينة

تم إنشاء العينة بواسطة STM عند درجة حرارة 4.5 K. في عملية الطباعة الحجرية ، تم استخدام نبضات الجهد المتحكم بها. وأثناء إعادة الترميم ، تم نقل الإبرة في خط مستقيم إلى العينة باستخدام جهد تحيز صغير. لكلتا العمليتين ، تم تعليق التحكم في ردود فعل STM ، باستخدام التغييرات في تيار النفق كإشارة فقط ، حيث تم العثور على توقيعين فريدين لتسهيل إعادة تحويل الهيدروجين بنجاح. إذا كانت هذه التوقيعات بمثابة إشارات تحكم ، فإن التصحيح التلقائي للأخطاء يكون أسرع ويعمل لفترة أطول.

وبالتالي ، تتيح لنا الطباعة الحجرية وإعادة التثمين ، بالعمل معًا ، أن نقول بثقة حول إمكانية إنشاء جهاز تخزين بيانات بحجم ذري كامل. كمثال توضيحي ، تم إنشاء عينتين: 8 بت و 192 بت.

كان أحد المكونات المهمة للتجربة الموصوفة أيضًا هو الدراسات التي أجريت على Cu (100) المملور بالكلور ، عندما يتم إنشاء كيلوبايت من الذاكرة على الشواغر السطحية دون الحاجة إلى معالجة رأسية للذرات. يمكن أن تعمل هذه الذاكرة عند درجة حرارة 77 كلفن (.7195.79 درجة مئوية) وتبقى مستقرة حتى 44 ساعة. كان من الممكن التغلب على حد درجة الحرارة هذا على وجه التحديد بسبب استخدام روابط متدلية منظمة ، والتي تثبت استقرارًا حراريًا عاليًا حتى عند درجة حرارة 477 كلفن (203.85 درجة مئوية). ويمكن زيادة كثافة التسجيل بنسبة 32٪ ، حيث يمكن وضع الاتصالات المتدلية بالقرب من بعضها البعض. ميزة أخرى مهمة هي القدرة في أي وقت (ليس فقط عند إنشاء عينة) لإنشاء أو حذف الروابط المتدلية ، مما يجعل من الممكن استبدال المعلومات. ومع ذلك ، ظل هذا البيان حتى الآن نظرية ، لأن مثل هذه العمليات مرتبطة بتلف إبرة المجهر.

نتائج التجربة

الطباعة الحجرية الهيدروجينية

في إجراء الطباعة الحجرية الهيدروجينية ، فإن الدقة المذهلة مهمة. بادئ ذي بدء ، يجب أن يكون موضع كل ذرة هيدروجين في المنطقة المحددة معروفًا بشكل لا لبس فيه لإبرة المجهر لتمرير العينة بشكل صحيح. يمكن أن يؤدي الخطأ الأقل إلى حقيقة أنه سيتم إزالة الذرة الخاطئة ، وهذا سيؤدي إلى عدم عمل العينة.


الصورة رقم 1

بالإضافة إلى المعلومات حول موقع ذرات الهيدروجين ، من الضروري أيضًا معرفة وضع الذرات الأخرى ، بحيث لا تضطر إلى تكرار المسح في كل مرة بعد إجراءات الطباعة الحجرية.

تُظهر الصورة 1 أ لقطة على سطح Si (100) -2x1. يمكننا أن نرى دورية مميزة لهذا السطح. هي التي تجعل من الممكن تحديد موضع جميع ذرات الهيدروجين (الصور 1 ب-و ) باستخدام صورة واحدة باستخدام تحليل فورييه.

تم توضيح عملية تحليل فورييه بالكامل بوضوح في الصور من المجموعة رقم 1. للكشف عن ذرات الهيدروجين ، استخدمنا صورًا بحجم 10 × 10 و 40 × 40 نانومتر ² .

بعد رسم "خريطة" للسطح ، يتم إنشاء النمط المطلوب على الشبكة ، حيث تمر إبرة المجهر. عندما تقترب الإبرة من النقطة المطلوبة ، يتم تشغيل نبضات الجهد من 1.8 إلى 3.0 فولت لمدة 20 مللي ثانية لإزالة ذرات الهيدروجين الضرورية بنجاح. عند الانتهاء من الإزالة ، يتم إيقاف التيار الكهربائي.


الصورة رقم 2

توضح الصور 2 أ و 2 ب و 2 د عملية إنشاء هياكل السندات المتدلية (النتيجة 2 هـ ). وعلى 2s - إعادة هيدروجين لتصحيح أخطاء الطباعة الحجرية.

نظرًا لأن انحراف درجة الحرارة * والزحف * يبدأ في الحدوث عند درجات حرارة أعلى ، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء ، تعمل STM عند درجة حرارة 4.5 كلفن فقط. وفي ظل هذه الظروف ، يسهل التحكم في العمليات ، ويمكن استقرار STM بعد فترة قصيرة.

انجراف درجة الحرارة * - تغيير في المعلمات الكهربائية تحت تأثير درجة الحرارة المحيطة.

الزحف * عملية بطيئة لتشوه مادة صلبة بسبب الحمل المستمر أو الإجهاد الميكانيكي. في هذه الحالة ، هذا تأثير حراري.

إذا لم يكن من الممكن القيام بذلك ، أو إذا كانت درجة الحرارة المحيطة أعلى من 4.5 كلفن ، فسيتم استخدام طريقة مختلفة لمنع الأخطاء. بادئ ذي بدء ، يتم التقاط صورة تحكم (10x10 نانومتر ² ) بجوار الصورة التي ستعمل معها SMT. بعد وقت معين ، تتوقف عملية الطباعة الحجرية ويتم أخذ لقطة ثانية للمنطقة المعالجة. يتم إجراء مقارنة مع صورة تحكم لتحديد ما إذا كان هناك أي انحرافات عن النمط المحدد بسبب الانجراف أو الزحف. إذا كان الأمر كذلك ، يتم تعديل النمط لتعويض العيوب.

اختبر الباحثون نتائج الطباعة الحجرية بدون تصحيح مماثل ومعها. في الحالة الأولى ، كانت الدقة 35٪ فقط ، في الثانية - 85٪ ، وهي نتيجة عقلانية ، حيث يمكن تصحيح الأخطاء المتبقية عن طريق إعادة هيدروجين الهيدروجين.

إعادة إنتاج الهيدروجين

كما ذكرنا سابقًا ، من أجل إزالة الأخطاء على سطح العينة ، تم إجراء إصلاح الهيدروجين باستخدام إبر السيليكون مع ذرة الهيدروجين في النهاية.

تقترب إبرة STM من سطح جزء معين من العينة و "تعلق" ذرة السيليكون ، مما يسمح بتشكيل بنية إعادة ترميم الهيدروجين الضرورية. عندما يتم دمج الإبرة مع ذرات الهيدروجين ، تصبح الاختلافات في صور المجهر مرئية. يتم وضع إبرة معدة لهذا الإجراء فوق رابطة متدلية معينة بجهد عينة يبلغ 1.4 فولت وقوة تيار 50 باسكال (بيكو أمبير ، 1 باسكال = 10 ^-12 أ). علاوة على ذلك ، يتم إيقاف التحكم في التغذية المرتدة ، ويتغير الجهد إلى مؤشر من نطاق 100 مللي فولت - 1.0 فولت. أثناء تسجيل تيار النفق ، تتحرك إبرة المجهر نحو العينة بمقدار 500-800 م (picometer ، 1 م = 10 ⁻¹² م). عند اكتمال العملية ، تعود الإبرة إلى وضعها الأصلي ، ويتم استعادة الجهد عند 1.4 فولت ، ويتم تشغيل التحكم في التغذية المرتدة.

الشيء الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذه العملية المعقدة والمُدارة بالكامل يتم إطلاقها بنقرة زر واحدة ، ويتم تشغيلها تلقائيًا وتستغرق ثانية واحدة فقط.

لقد عرفنا أنفسنا لفترة وجيزة بالإجراءات غير القابلة للتصرف ، وبالتالي ، يمكننا الانتقال إلى الإجراءات الأكثر أهمية ومثيرة للاهتمام.

الذاكرة الذرية

لذلك ، باستخدام الطباعة الحجرية الهيدروجينية وإعادة تثبيط الهيدروجين ، تم إنشاء عينتين عاملتين من الذاكرة ذات الأبعاد الذرية.

تم تحديد 1 بت بأربعة جدران شبكية ، مما أدى إلى وضع حاجز ذرة 1 بين الروابط المتدلية المجاورة. يمكن رؤية ذلك في الصورة 1 أ .


الصورة 1 أ

نظرًا للهندسة المثالية لسطح Si (100) -2x1 المملوء بالهيدروجين ، فإن هذا الترتيب يجعل من الممكن الحصول على كثافة بت عالية جدًا - 1.70 بت / نانومتر ² .

نموذج (أ) - الأبجدية



تُظهر الصورة أعلاه ذاكرة 8 بت لترميز تمثيل ASCII ثنائيًا لكل حرف من حروف الأبجدية الإنجليزية ، مع استبدال الحرف السابق في كل مرة. استغرق الأمر من 10 إلى 120 ثانية لكتابة حرف واحد ، اعتمادًا على العدد المطلوب من العلاقات المتدلية. أكثر عملية تستغرق وقتًا في كتابة الرسائل هي إعادة ترميم الهيدروجين ، لأنها محدودة بعدد ذرات الهيدروجين الحرة في طرف إبرة المجهر. أي أن الإبرة يجب أن تغادر منطقة العمل "لتجديد" ذرات الهيدروجين ، ثم مواصلة العملية. ومع ذلك ، تنشأ مشكلة مماثلة ، وفقًا للباحثين ، فقط عند العمل مع مثل هذه الأشياء الصغيرة. إذا كان الهيكل يحتوي على عدد كبير من الروابط المتدلية ، فسيتم تجديد الإبرة ذاتيًا مع الذرات في هذه العملية. طريقة أخرى لتسريع العملية هي استخدام مواد معينة لإنشاء الإبرة نفسها. على سبيل المثال ، البلاتين قادر على حمل حوالي 1000 ذرة هيدروجين في المرة الواحدة.

العينة (ب) - الصوت



العينة الثانية أكبر من الأولى ، وهي ذاكرة 192 بت بنفس كثافة البت ، حيث يتم تسجيل نسخة مبسطة من اللحن الرئيسي للعبة ماريو. يتكون الهيكل من 62 رابطًا متدليًا ، واستغرق الأمر 250 ثانية لإنشائه. يمكن استنساخ هذا اللحن باستخدام STM واستخدام الصورة. يمكنك الاستماع إليه عن طريق تنزيل مقطع فيديو قصير ، والذي يوضح أيضًا الاتصال المتدلي المسؤول عن أي ملاحظة.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالدراسة ، أوصي بشدة بتقرير العلماء ، الذي يصف أيضًا طرق القياس وتفاصيل التجارب نفسها.

الخاتمة

أظهرت هذه الدراسة أن إنشاء الذاكرة الذرية العاملة أمر حقيقي تمامًا. في الوقت نفسه ، تم استخدام أجهزة بأسعار معقولة وتقنيات واضحة. يمكن تكييف الخصائص الخاصة للطباعة الحجرية الهيدروجينية وإعادة التكييف للاستخدام ليس فقط مع السيليكون ، ولكن أيضًا مع مواد أخرى ، مثل الجرمانيوم أو الماس.

على الرغم من أن هذه التكنولوجيا في مهدها ، ولكن ، كما نعلم ، كانت جميع التقنيات السائدة حاليًا في وضع مماثل. لا يتطلب تطبيق أي تقنية أو جهاز الاستخدام العملي للمعرفة العلمية والمثابرة والوقت وعدد كبير من التجارب فحسب ، بل يتطلب أيضًا القليل من الخيال. لا عجب قال السيد فينمان في الفيديو:

لا أريد أن آخذه على محمل الجد (فيما يتعلق بالعلوم). أعتقد أننا يجب أن نستمتع (نمرح) ونتوقف عن القلق.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟