Aus wissenschaftlicher Sicht ist unsere schöne Welt, die uns umgibt, ein endloser Datenstrom. Jeder Tweet, jeder Kommentar unter einem YouTube-Video, Korrespondenz mit Verwandten über Instant Messenger, Filme, Spiele, digitale Bücher usw. usw. All dies bildet das sogenannte Informationsfeld der Erde. Die Datenkonzentration darin wächst von Jahr zu Jahr. Bis 2025 wird die Gesamtdatenmenge weltweit 163 Zettabyte betragen (laut
Forbes ). Zum Beispiel habe ich ein externes Laufwerk mit einer Kapazität von 1 TB, was nach modernen Maßstäben nicht so viel ist. 163 Zetabyte entsprechen 163 Milliarden meiner Festplatten. Die Fläche eines solchen Trägerclusters würde ungefähr 1,47 Tm
2 (1 Tm = 10
12 m) betragen, ganz zu schweigen von der Masse von 26.080.000 Tonnen.
Dies sind alles lustige Zahlen, aber das Problem der Speicherung einer großen Datenmenge besteht, und viele Wissenschaftler auf der Welt versuchen, es zu lösen. Unsere heutigen Helden konnten ihre eigene Erfindung mithilfe der Atomspeichertechnologie verbessern. Wie sie dies realisiert haben und wann eine solche Technologie öffentlich verfügbar sein wird, erfahren wir aus ihrem Bericht. Lass uns gehen.
Studienbasis
Das lebhafte Interesse vieler Wissenschaftler ist die Forschung und Entwicklung von Atomgeräten. Die Fähigkeit, Atome zu manipulieren, hat viele dazu veranlasst, ihre Mission zu erweitern. Das Konzept des „atomaren Gedächtnisses“ erschien also, mit anderen Worten, es ist die Fähigkeit, Daten auf das Atom selbst zu schreiben. Solche Ideen sind nicht neu. Bereits 1959 sagte der Physiker Richard Feynman, dass alle Bücher, die während des Lebens einer Person geschrieben wurden, in einen 0,1 mm breiten Würfel gelegt werden könnten, wenn jedes Atom mindestens 1 Bit Information enthalten würde. Diese echte Science-Fiction-Aussage war tatsächlich eine Vision der Zukunft, die wir jetzt haben.
Ich konnte kein Video hinzufügen, in dem Herr Feynman sehr interessant, klar und lebhaft über einige interessante Dinge über Atome sprichtEs ist jedoch äußerst schwierig, Geräte in Atomgröße außerhalb von Labors zu implementieren, da sie bei Raumtemperatur instabil sind und elektronisch von Trägersubstraten isoliert werden. Die Wasserstofflithographie kam zur Rettung, dh zur Entfernung von Wasserstoffatomen von der wasserstoffpassivierten
* Oberfläche von Silizium. Eine ähnliche Technik hilft, die oben beschriebenen Nachteile von atomaren Vorrichtungen zu beseitigen, ohne dass spezifische Materialien erforderlich sind. Bis vor kurzem war es noch unmöglich, mithilfe der Wasserstofflithographie große Atomsysteme zu erstellen, die fehlerfrei funktionieren würden.
Passivierung * - Bildung eines dünnen Films mit hohem Widerstand auf dem Objekt.
Für die Wasserstofflithographie können Sie ein
Rastertunnelmikroskop (STM) * verwenden , mit dem bestimmte Si-H-Verbindungen (Silizium-Wasserstoff) durch energiearme
unelastische Elektronenstreuung
* von Elektronen zerstört werden können, wodurch die
baumelnde Bindung * des darunter liegenden Siliziumatoms freigelegt wird.
STM-SchemaInelastische Streuung * ist eine Kollision von Partikeln, die zu einer Änderung ihres Zustands, zur Bildung neuer Partikel, zur Umwandlung in andere oder zur Geburt neuer Partikel führt.
Eine baumelnde Bindung * ist eine ungefüllte Hülle eines Atoms in einem Molekül oder Feststoff.
Die baumelnden Bindungen von Siliziumatomen sind zu einem wichtigen Bestandteil der Studie geworden, da sie als eine Art atomare
Quantenpunkte * sind , deren elektronischer Zustand innerhalb der
Bandlücke * von Silizium isoliert bleibt.
Ein Quantenpunkt * (oder „künstliches Atom“) ist ein Halbleiterteilchen. Aufgrund seiner extrem geringen Größe unterscheiden sich seine optischen und elektronischen Eigenschaften stark von denen größerer Partikel.
Die verbotene Zone * ist der Bereich von Energiewerten, den ein Elektron in einem idealen Kristallkörper nicht besitzen kann.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von baumelnden Bindungen ist ihre Stabilität bei Temperaturen von etwa 500 K (226,85 ° C).
Es ist klar, dass die Wasserstofflithographie einen Weg zur Lösung der Probleme atomarer Geräte, einschließlich des atomaren Gedächtnisses, verbirgt. Für die praktische Implementierung solcher Geräte ist es jedoch erforderlich, eine Fehlerquote von 0% zu erreichen, was äußerst schwierig ist. Daher war die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf die Erhöhung der Atomgenauigkeit gerichtet, da die fehlerhafte Entfernung mindestens eines Wasserstoffatoms zur Inoperabilität des gesamten Systems führen kann. Ein neues Verfahren zur Korrektur von Fehlern in der Wasserstofflithographie unter Verwendung eines kryogenen
Rasterkraftmikroskops (AFM) * , bei dem einzelne baumelnde Bindungen mittels einer mit Wasserstoff beschichteten Mikroskopnadel erneut passiviert wurden, könnte ein ähnliches Problem lösen. Und wieder stehen Wissenschaftler vor einem Problem. Diesmal ist es die Geschwindigkeit des Verfahrens. Trotz der hohen Effizienz beim Nivellieren von Lithografiefehlern dauert der Vorgang 10 Sekunden für eine baumelnde Verbindung. Außerdem werden Verzögerungen hinzugefügt, da zwei individuelle Rückmeldungen verwendet werden müssen und die Nadel nach jedem Eingriff erneut mit Wasserstoff beschichtet werden muss. Mit anderen Worten, obwohl die Technik hervorragende Ergebnisse zeigt, nimmt sie viel Zeit in Anspruch.
AFM * - ein Mikroskop, mit dem Sie die Oberflächentopographie mit einer Auflösung von bis zu atomar bestimmen können.
AFM-Betriebsschema
Details zur Beispielerstellung
Die Probe wurde durch STM bei einer Temperatur von 4,5 K erzeugt. Bei der Lithographie wurden kontrollierte Spannungsimpulse verwendet. Und während der Repassivierung wurde die Nadel unter Verwendung einer kleinen Vorspannung in einer geraden Linie zur Probe bewegt. Für beide Prozesse wurde die STM-Rückkopplungssteuerung ausgesetzt, wobei als einzige Signaländerungen der Tunnelstrom verwendet wurden, bei denen zwei eindeutige Signaturen gefunden wurden, um die erfolgreiche Wasserstoffumleitung zu erleichtern. Wenn diese Signaturen als Steuersignale fungieren, ist die automatische Fehlerkorrektur schneller und funktioniert viel länger.
Durch die Zusammenarbeit von Lithographie und Repassivierung können wir daher mit Zuversicht über die Möglichkeit sprechen, ein vollwertiges atomares Datenspeichergerät zu schaffen. Zur Demonstration wurden 2 Samples erstellt: 8 Bit und 192 Bit.
Ein wichtiger Bestandteil des beschriebenen Experiments waren auch Untersuchungen an chlorpassiviertem Cu (100), bei dem ein Kilobyte Gedächtnis auf Oberflächenleerstellen erzeugt wird, ohne dass eine vertikale Manipulation der Atome erforderlich ist. Dieser Speicher kann bei einer Temperatur von 77 K (–195,79 ° C) betrieben werden und bleibt bis zu 44 Stunden stabil. Diese Temperaturgrenze konnte gerade durch die Verwendung strukturierter baumelnder Bindungen überwunden werden, die auch bei einer Temperatur von 477 K (203,85 ° C) eine hohe thermische Stabilität aufweisen. Und die Aufzeichnungsdichte kann um 32% erhöht werden, da baumelnde Kommunikationen extrem nahe beieinander liegen können. Ein weiteres wichtiges Merkmal war die Möglichkeit, jederzeit (nicht nur beim Erstellen eines Samples) baumelnde Bindungen zu erstellen oder zu löschen, wodurch das Überschreiben von Informationen ermöglicht wurde. Diese Aussage ist jedoch bislang eine Theorie geblieben, da solche Prozesse mit einer Beschädigung der Mikroskopnadel verbunden sind.
Versuchsergebnisse
WasserstofflithographieBei der Durchführung der Wasserstofflithographie ist eine unglaubliche Genauigkeit wichtig. Zunächst muss die Position jedes Wasserstoffatoms in der ausgewählten Region eindeutig bekannt sein, damit die Mikroskopnadel die Probe korrekt passieren kann. Der kleinste Fehler kann dazu führen, dass das falsche Atom entfernt wird, was zur Inoperabilität der Probe führt.
Bild Nr. 1Neben Informationen über die Position von Wasserstoffatomen ist es auch erforderlich, die Position anderer Atome zu kennen, damit Sie den Scan nicht jedes Mal nach Lithografieverfahren wiederholen müssen.
Bild
1a zeigt eine Momentaufnahme der Oberfläche von Si (100) -2x1. Wir können die deutliche Periodizität dieser Oberfläche sehen. Sie ist es, die es ermöglicht, die Position aller Wasserstoffatome (Bilder
1b-f ) unter Verwendung eines einzigen Bildes unter Verwendung der Fourier-Analyse zu bestimmen.
Der gesamte Fourier-Analyseprozess wird in Bildern aus Gruppe Nr. 1 deutlich gezeigt. Zum Nachweis von Wasserstoffatomen verwendeten wir Bilder der Größe 10x10 und 40x40 nm
2 .
Nach dem Erstellen einer „Karte“ der Oberfläche wird auf dem Gitter das gewünschte Muster erstellt, entlang dessen die Mikroskopnadel verläuft. Wenn sich die Nadel dem gewünschten Punkt nähert, werden Spannungsimpulse von 1,8 bis 3,0 V für 20 ms eingeschaltet, um die erforderlichen Wasserstoffatome erfolgreich zu entfernen. Nach Abschluss des Entfernens wird die Spannung abgeschaltet.
Bild Nr. 2Die Bilder
2a ,
2b und
2d zeigen den Prozess der Erzeugung baumelnder Bindungsstrukturen (Ergebnis in
2e ). Und auf
2s - Wasserstoff-Repassivierung zur Korrektur von Lithographiefehlern.
Da bei höheren Temperaturen
Temperaturdrift * und
Kriechen * auftreten, was zu Fehlern führt, arbeitete das STM bei einer Temperatur von nur 4,5 K. Unter diesen Bedingungen sind die Prozesse leicht zu steuern und das STM kann nach kurzer Zeit stabilisiert werden.
Temperaturdrift * - eine Änderung der elektrischen Parameter unter dem Einfluss der Umgebungstemperatur.
Kriechen * ist ein langsamer Verformungsprozess eines Festkörpers aufgrund konstanter Belastung oder mechanischer Beanspruchung. In diesem Fall ist dies ein thermischer Effekt.
Ist dies nicht möglich oder liegt die Umgebungstemperatur über 4,5 K, wird eine andere Methode zur Fehlervermeidung angewendet. Zunächst wird ein Kontrollbild (10 x 10 nm
2 ) neben dem aufgenommen, mit dem die SMT arbeiten wird. Nach einer bestimmten Zeit stoppt der Lithographieprozess und es wird eine zweite Aufnahme des behandelten Bereichs gemacht. Es wird ein Vergleich mit einem Kontrollbild durchgeführt, um festzustellen, ob aufgrund von Drift oder Kriechen Abweichungen vom angegebenen Muster aufgetreten sind. In diesem Fall wird das Muster angepasst, um Fehler auszugleichen.
Die Forscher testeten die Ergebnisse der Lithographie ohne eine ähnliche Korrektur und damit. Im ersten Fall betrug die Genauigkeit nur 35%, im zweiten - 85%, was ein vernünftiges Ergebnis ist, da die verbleibenden Fehler durch Wasserstoff-Repassivierung korrigiert werden können.
Wasserstoff-RepassivierungWie bereits erwähnt, wurde zur Beseitigung von Fehlern auf der Oberfläche der Probe eine Wasserstoff-Repassivierung unter Verwendung von Siliziumnadeln mit einem Wasserstoffatom am Ende durchgeführt.
Die STM-Nadel nähert sich der Oberfläche eines bestimmten Teils der Probe und "hakt" das Siliziumatom ein, wodurch die erforderliche Wasserstoff-Repassivierungsstruktur gebildet werden kann. Wenn die Nadel mit Wasserstoffatomen kombiniert wird, werden die Unterschiede in den Mikroskopbildern sichtbar. Eine für das Verfahren vorbereitete Nadel wird bei einer Probenspannung von 1,4 V und einer Stromstärke von 50 pA (Picoampere, 1 pA = 10
–12 A) über eine bestimmte baumelnde Bindung gelegt. Ferner wird die Rückkopplungssteuerung ausgeschaltet und die Spannung ändert sich zu einem Indikator aus dem Bereich von 100 mV - 1,0 V. Während der Registrierung des Tunnelstroms bewegt sich die Mikroskopnadel um 500-800 pm (Pikometer, 1 pm =
10-12 m) in Richtung der Probe. Nach Abschluss des Vorgangs kehrt die Nadel in ihre ursprüngliche Position zurück, die Spannung wird bei 1,4 V wiederhergestellt und die Rückkopplungssteuerung wird eingeschaltet.
Das Erstaunlichste ist, dass dieser gesamte komplexe und durchgeführte Prozess per Knopfdruck gestartet wird, automatisch ausgeführt wird und nur 1 Sekunde dauert.
Wir haben uns kurz mit den unveräußerlichen Verfahren vertraut gemacht, daher können wir zu den wichtigsten und interessantesten übergehen.
AtomgedächtnisUnter Verwendung von Wasserstofflithographie und Wasserstoff-Repassivierung wurden 2 Arbeitsproben des atomdimensionalen Gedächtnisses erzeugt.
1 Bit wurde durch vier Gitterwände umrissen, wodurch ein Puffer von 1 Atom zwischen benachbarten baumelnden Bindungen gesetzt wurde. Dies ist in Bild
1a zu sehen.
Bild 1aAufgrund der idealen Geometrie der wasserstoffpassivierten Si (100) -2x1-Oberfläche ermöglicht diese Anordnung eine sehr hohe Bitdichte von 1,70 Bit / nm
2 .
Probe (a) - Alphabet
Das obige Bild zeigt einen 8-Bit-Speicher zum sequentiellen Codieren der binären ASCII-Darstellung jedes Buchstabens des englischen Alphabets, wobei der vorherige Buchstabe jedes Mal überschrieben wird. Das Schreiben eines Briefes dauerte 10 bis 120 Sekunden, abhängig von der erforderlichen Anzahl baumelnder Krawatten. Der zeitaufwändigste Vorgang beim Schreiben von Briefen ist die Wasserstoff-Repassivierung, da sie durch die Anzahl der freien Wasserstoffatome an der Spitze der Mikroskopnadel begrenzt ist. Das heißt, die Nadel muss den Arbeitsbereich verlassen, um Wasserstoffatome wieder aufzufüllen, und dann den Prozess fortsetzen. Ein ähnliches Problem tritt nach Ansicht der Forscher jedoch nur bei der Arbeit mit so kleinen Objekten auf. Wenn die Struktur eine große Anzahl baumelnder Bindungen aufweist, erneuert sich die Nadel dabei selbst mit Atomen. Eine andere Möglichkeit, den Prozess zu beschleunigen, besteht darin, bestimmte Materialien zu verwenden, um die Nadel selbst herzustellen. Zum Beispiel kann Platin ungefähr 1000 Wasserstoffatome gleichzeitig halten.
Probe (b) - Ton
Das zweite Sample ist größer als das erste, es ist ein 192-Bit-Speicher mit derselben Bitdichte, auf dem eine vereinfachte Version der Hauptmelodie des Mario-Spiels aufgezeichnet ist. Die Struktur besteht aus 62 baumelnden Bindungen, und die Erstellung dauerte 250 Sekunden. Diese Melodie konnte sowohl mit STM als auch mit dem Bild reproduziert werden. Sie können es anhören, indem Sie ein kurzes
Video herunterladen, das auch zeigt, welche baumelnde Verbindung für welche Notiz verantwortlich ist.
Für eine detailliertere Kenntnis der Studie empfehle ich dringend den Bericht von Wissenschaftlern, in dem auch die Messmethoden und Einzelheiten der Experimente selbst beschrieben werden.Nachwort
Diese Studie hat gezeigt, dass die Schaffung eines funktionierenden Atomgedächtnisses absolut real ist. Gleichzeitig wurden erschwingliche Geräte und klare Techniken eingesetzt. Die besonderen Eigenschaften der Wasserstofflithographie und Repassivierung können nicht nur für die Verwendung mit Silizium, sondern auch mit anderen Substanzen, beispielsweise Germanium oder Diamant, angepasst werden.
Eine solche Technologie steckt zwar noch in den Kinderschuhen, aber wie wir wissen, befanden sich alle derzeit vorherrschenden Technologien einmal in einer ähnlichen Situation. Die Implementierung einer Technologie oder eines Geräts erfordert nicht nur den praktischen Einsatz wissenschaftlicher Erkenntnisse, Ausdauer, Zeit, eine große Anzahl von Experimenten, sondern auch ein wenig Fantasie. Kein Wunder, dass Herr Feynman im Video sagte:
Ich möchte es nicht ernst nehmen (in Bezug auf die Wissenschaft). Ich glaube, wir sollten Spaß haben (Spaß haben) und aufhören, uns Sorgen zu machen.
Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung
aufgeben oder sie Ihren Freunden empfehlen.
Habr-Benutzer erhalten 30% Rabatt auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).
Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über
den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?