IBM hat ein einzelnes Informationsbit in einem Atom aufgezeichnet

Der kleinste Magnet der Welt, 2017. Foto: IBM

Ein internationales Team unter der Leitung von Teams des IBM Almaden Research Center und der Federal Polytechnic School in Lausanne ist an die absolute Grenze des klassischen Ansatzes zur Speicherung von Informationen auf physischen Medien gestoßen. Wissenschaftler haben den kleinsten Magneten der Welt auf einem Atom erzeugt und dort 1 Datenbit geschrieben. Zum Verständnis: Auf den modernsten Festplatten werden ungefähr 100.000 Atome verwendet, um ein Bit aufzuzeichnen.

Das Schreiben und Lesen von Informationen auf atomarer Ebene eröffnet unglaubliche Möglichkeiten für die Erstellung kleinerer Laufwerke und größerer Kapazitäten.

Bisher waren Cluster mit 3-12 Atomen die maximale Grenze für adressierbare bistabile Magnetbits. Gleichzeitig wurden lange Perioden magnetischer Relaxation für einzelne Lanthanoidatome in molekularen Magneten, Lanthaniden in Kristallen und kürzlich in Holmiumatomen (Ho) auf einem isolierenden Substrat aus Magnesiumoxid (MgO) nachgewiesen.

Lanthaniden sind eine Familie von 15 Seltenerdmetallen mit den Ordnungszahlen 57-71 (von Lanthan bis Lutetium). In allen Lanthaniden von Cer bis Ytterbium ist die 4f-Unterschale gefüllt. Ungepaarte 4f-Elektronen verleihen einigen dieser Metalle einzigartige magnetische Eigenschaften (z. B. in Neodym).

Als Ergebnis kürzlich durchgeführter Experimente wurde klar, dass einzelne Lanthanoidatome in der Lage sind, einen magnetischen Zustand für eine lange Zeit aufrechtzuerhalten. Diese Ergebnisse zeigten einen klaren Weg für weitere Experimente, die es uns ermöglichen, in die reale Speicherung von Informationen auf atomarer Ebene einzutreten. Es gab nur ein technologisches Problem - wie man Zugang zu den einzelnen magnetischen Zentren von Atomen erhält, dh wie man den Zustand in der Praxis zuverlässig und genau liest?

Jetzt konnten Forscher des IBM Almaden Research Center dieses Problem lösen . Sie fanden einen Weg, einzelne Atome zu magnetisieren und bewiesen, dass der magnetisierte Zustand lange anhält.

Informationen wurden durch elektrische Impulse unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops aufgezeichnet. Jeder Impuls vertauscht die Nord- und Südmagnetpole des Atoms, was den Werten 0 und 1 entspricht.


Dr. Christopher Lutz von IBM Research verwendet das IBM Scanning Tunneling Microscope für den Nobelpreis, um Daten auf einen Einzelatommagneten zu schreiben

Der Zustand der Holmiumatome wurde unter Verwendung des Effekts des Tunnelmagnetowiderstands abgelesen. In einem Abstand von ca. 1 nm befindet sich neben dem Holmiumatom ein Eisenatom (Fe), bei dem eine Einzelatomresonanz des Elektronenspins auftritt ( elektronenparamagnetische Resonanz durch Elektronenspins). Das heißt, ein Eisenatom kann den magnetischen Zustand eines Holmiumatoms erfassen.


Versuchsaufbau und Umschalten des magnetischen Zustands eines Holmiumatoms mit einem nahe gelegenen lokalen Magnetometer von einem Eisenatom

IBM hat vor einem Jahr über den Eisenatomsensor gesprochen . Dies ist ein Vertreter einer neuen Klasse von Sensoren, die IBM 2015 erfunden hat - der sogenannten Elektronenspinresonanzsensoren (ESR-Sensoren). Jetzt ist klar, warum das Unternehmen diese Technologie benötigte. Das Funktionsprinzip des Sensors ähnelt dem Prinzip der Magnetresonanztomographie, nur hier wird es auf einzelne Atome angewendet. Der Punkt ist, dass, wenn die Frequenz und Intensität des Magnetfelds bestimmte Werte erreichen, das ungepaarte Elektron im Holmiumatom aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gerät. Dieser starke Anstieg (siehe Grafik unten) wird vom ESR-Sensor erfasst. Abhängig von den möglichen magnetischen Zuständen von Holmium kann bei einer der möglichen Frequenzen ein Burst auftreten.



Mit dem Eisenatom (ESR-Sensor) wird es möglich, den magnetischen Zustand des Holmiumatoms abzulesen, dh den Server- und Südpol von Holmiumatomen zu erkennen. Da wir diesen Zustand durch elektrische Impulse durch ein Rastertunnelmikroskop ändern können, erhalten wir ein voll funktionsfähiges System zum Aufzeichnen und Lesen digitaler Informationen. Zwei mögliche Zustände des Magnetfeldes eines Holmiumatoms entsprechen den Werten 0 und 1.

In einem IBM-Experiment wurde nachgewiesen, dass ein ESR-Sensor erfolgreich Daten von zwei Holmiumatomen lesen kann.



Der wissenschaftliche Artikel wurde am 8. März 2017 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht (doi: 10.1038 / nature21371).

Interessanterweise kann, wenn 1 Bit 1 Atom entspricht, die Information buchstäblich nach Gewicht gemessen werden, dh in Gramm. Beispielsweise enthält ein Gramm Holmium 3,65 × 10 ²¹ Atome (das Atomgewicht von Holmium beträgt 164,93032 g / mol, die Avogadro-Zahl beträgt 6,02214179 × 10 ²³ ), und es werden ungefähr 3,65 Zettabyte an Informationen erhalten.

Somit speichert 1 Gramm des Laufwerks 456 Exabyte Daten.

Dr. Lutz glaubt nicht, dass Holmiumatome in naher Zukunft Heimspeichergeräte ersetzen werden, da Sie dann zu Hause ein Rastertunnelmikroskop installieren müssen, das bei 4 K arbeitet, damit Atome mit aufgezeichneten Informationen nicht weglaufen. Bei mobilen Geräten ist es problematisch, solche Bedingungen zu schaffen.

Trotzdem ist der Physiker optimistisch über die Aussichten für einatomige ESR-Sensoren, deren Fähigkeiten wirklich erstaunlich sind.