El imán más pequeño del mundo, 2017. Foto: IBMUn equipo internacional dirigido por equipos del Centro de Investigación IBM Almaden y la Escuela Politécnica Federal de Lausana se ha acercado al límite absoluto del enfoque clásico para almacenar información en medios físicos. Los científicos
crearon el imán más pequeño del mundo en un átomo y escribieron 1 bit de datos allí. Para entender: en los discos duros más modernos, se usan aproximadamente 100,000 átomos para grabar un bit.
Escribir y leer información a nivel atómico abre oportunidades increíbles para crear unidades más pequeñas y capacidades más grandes.
Hasta la fecha, los
grupos de 3-12 átomos han sido el límite máximo de bits magnéticos biestables direccionables. Al mismo tiempo, se han demostrado largos períodos de relajación magnética para átomos de
lantánidos individuales en imanes moleculares, lantánidos en cristales y recientemente en átomos de holmio (Ho) en un sustrato aislante de óxido de magnesio (MgO).
Los lantánidos son una familia de 15 metales de tierras raras con números atómicos 57-71 (del lantano al lutecio). En todos los lantánidos, desde el cerio hasta el iterbio, se llena la subcapa 4f. Los electrones 4f no apareados dotan a algunos de estos metales de propiedades magnéticas únicas (por ejemplo, en neodimio).
Entonces, como resultado de experimentos recientes, quedó claro que los átomos individuales de lantánidos pueden mantener un estado magnético durante mucho tiempo. Estos resultados indicaron un camino claro para más experimentos, lo que nos permitirá ingresar al almacenamiento real de información a nivel atómico. Solo había un problema tecnológico: ¿cómo obtener acceso a los centros magnéticos individuales de los átomos, es decir, cómo leer en la práctica el estado de manera confiable y precisa?
Ahora los investigadores del Centro de Investigación IBM Almaden han
podido resolver este problema . Encontraron una manera de magnetizar átomos individuales y demostraron que el estado magnetizado persiste durante mucho tiempo.
La información fue registrada por pulsos eléctricos usando un microscopio de túnel de exploración. Cada pulso intercambia los polos magnéticos norte y sur en el átomo, que corresponde a los valores 0 y 1.
El Dr. Christopher Lutz de IBM Research utiliza el microscopio de túnel de escaneo de IBM para el Premio Nobel para escribir datos en un imán de un solo átomoEl estado de los átomos de holmio se leyó utilizando el efecto de la
magnetorresistencia del
túnel . A una distancia de aproximadamente 1 nm, se coloca un átomo de hierro (Fe) al lado del átomo de holmio, con el que se produce una resonancia de un solo átomo del espín
electrónico (
resonancia paramagnética de electrones debido a espines electrónicos). Es decir, un átomo de hierro puede detectar el estado magnético de un átomo de holmio.
Configuración experimental y cambio del estado magnético de un átomo de holmio con un magnetómetro local cercano desde un átomo de hierroIBM
habló sobre el sensor de átomo de hierro
hace un
año . Este es un representante de una nueva clase de sensores que IBM inventó en 2015: los llamados sensores de resonancia de espín electrónico (sensores ESR). Ahora está claro por qué la compañía necesitaba esta tecnología. El principio de funcionamiento del sensor se asemeja al principio de la resonancia magnética, solo que aquí se aplica a átomos individuales. El punto es que cuando la frecuencia e intensidad del campo magnético alcanzan ciertos valores, el electrón no apareado en el átomo de holmio sale del equilibrio termodinámico. Este aumento brusco (ver gráfico a continuación) es detectado por el sensor ESR. Dependiendo de los posibles estados magnéticos del holmio, puede ocurrir una explosión en una de las frecuencias posibles.
Usando el átomo de hierro (sensor ESR), es posible leer el estado magnético del átomo de holmio, es decir, reconocer el servidor y los polos sur de los átomos de holmio. Dado que tenemos una manera de cambiar este estado mediante pulsos eléctricos a través de un microscopio de túnel de exploración, obtenemos un sistema completamente funcional para registrar y leer información digital. Dos posibles estados del campo magnético de un átomo de holmio corresponden a los valores 0 y 1.
En un experimento de IBM, se demostró que un sensor ESR puede leer con éxito los datos de dos átomos de holmio.
El artículo científico fue
publicado en la revista
Nature el 8 de marzo de 2017 (doi: 10.1038 / nature21371).
Curiosamente, si 1 bit corresponde a 1 átomo, entonces la información puede medirse literalmente en peso, es decir, en gramos. Por ejemplo, un gramo de holmio contiene 3.65 × 10
21 átomos (el peso atómico del holmio es 164.93032 g / mol, el número de Avogadro es 6.02214179 × 10
23 ), y se obtiene aproximadamente 3.65 zettabit de información.
Por lo tanto, 1 gramo de la unidad almacena 456 exabytes de datos.
El Dr. Lutz
no cree que los átomos de holmio reemplacen los dispositivos de almacenamiento en el hogar en el futuro cercano, porque entonces debe instalar un microscopio de túnel de exploración en el hogar que funcione a 4 K para que los átomos con información grabada no se escapen. En dispositivos móviles, será problemático crear tales condiciones.
Sin embargo, el físico es optimista sobre las perspectivas de los sensores ESR monoatómicos, cuyas capacidades son realmente sorprendentes.