Memoria atómica: alfabeto de 8 bits y melodía de 192 bits de Mario

Desde el punto de vista de la ciencia, nuestro hermoso mundo que nos rodea es un flujo interminable de datos. Cada tweet, cada comentario en un video de YouTube, correspondencia con familiares a través de mensajería instantánea, películas, juegos, libros digitales, etc. etc. Todo esto forma el llamado campo de información de la Tierra. La concentración de datos en él está creciendo cada año. Entonces, para 2025, la cantidad total de datos en el mundo será de 163 zettabytes (según Forbes ). Por ejemplo, tengo una unidad externa con una capacidad de 1 TB, que según los estándares modernos no es tanto. 163 zetabytes es equivalente a 163 mil millones de mis discos duros. El área de tal grupo de portadores sería aproximadamente 1.47 Tm ² (1 Tm = 10 ¹² m), sin mencionar la masa de 26,080,000 toneladas.

Todos estos son números divertidos, pero existe el problema de almacenar una gran cantidad de datos, y muchos científicos en el mundo están tratando de resolverlo. Nuestros héroes de hoy pudieron mejorar su propio invento utilizando la tecnología de memoria atómica. Aprenderemos de su informe cómo se dieron cuenta de esto y qué tan pronto esta tecnología estará disponible públicamente. Vamos

Base de estudio

El vivo interés de muchos científicos es la investigación y el desarrollo de dispositivos atómicos. La capacidad de manipular átomos ha llevado a muchos a expandir su misión. Entonces apareció el concepto de "memoria atómica", en otras palabras, es la capacidad de escribir datos en el átomo mismo. Tales ideas no son nuevas. En 1959, el físico Richard Feynman dijo que todos los libros escritos durante la vida de una persona podían colocarse en un cubo de 0.1 mm de ancho si cada átomo contenía al menos 1 bit de información. Esta verdadera declaración de ciencia ficción fue en realidad una visión del futuro que tenemos ahora.


No pude agregar un video donde el Sr. Feynman habla muy interesante, clara y animadamente sobre algunas cosas interesantes sobre los átomos.

Sin embargo, es extremadamente difícil implementar dispositivos del tamaño de un átomo fuera de los laboratorios debido a su inestabilidad a temperatura ambiente y al aislamiento electrónico de los sustratos de soporte. La litografía de hidrógeno vino al rescate, es decir, la eliminación de átomos de hidrógeno de la superficie de silicio pasivada por hidrógeno * . Una técnica similar ayuda a deshacerse de las desventajas descritas anteriormente de los dispositivos atómicos sin la necesidad de materiales específicos. Hasta hace poco, todavía era imposible crear grandes sistemas atómicos utilizando la litografía de hidrógeno que funcionaría sin errores.

Pasivación * : la formación de una película delgada con alta resistencia sobre el objeto.

Para la litografía de hidrógeno, puede usar un microscopio de túnel de exploración (STM) * , con el cual es posible destruir ciertos compuestos de Si - H (silicio-hidrógeno) por medio de dispersión de electrones inelástica de baja energía * de electrones, exponiendo así el enlace colgante * del átomo de silicio subyacente.


Esquema STM

La dispersión inelástica * es una colisión de partículas, que conduce a un cambio en su estado, la formación de nuevas partículas, la transformación en otras o el nacimiento de nuevas partículas.

Un enlace colgante * es una envoltura sin llenar de un átomo en una molécula o sólido.

Los enlaces colgantes de los átomos de silicio se han convertido en un componente importante del estudio porque son, como una especie, puntos cuánticos atómicos * , cuyo estado electrónico permanece aislado dentro del intervalo de banda * del silicio.

Un punto cuántico * (o "átomo artificial") es una partícula semiconductora. Debido a su tamaño extremadamente pequeño, sus propiedades ópticas y electrónicas son muy diferentes de las de las partículas más grandes.

La zona prohibida * es el rango de valores de energía que un electrón no puede poseer en un cuerpo cristalino ideal.

Otra característica importante de los enlaces colgantes es su estabilidad a temperaturas de aproximadamente 500 K (226.85 ° C).

Está claro que la litografía de hidrógeno oculta un camino para resolver los problemas de los dispositivos atómicos, incluida la memoria atómica. Pero para la implementación práctica de tales dispositivos, es necesario alcanzar un nivel de 0% de errores, lo cual es extremadamente difícil. Por lo tanto, la atención de los científicos tenía como objetivo aumentar la precisión atómica, porque la eliminación errónea de al menos un átomo de hidrógeno puede conducir a la inoperancia de todo el sistema. Un nuevo método para corregir errores en la litografía de hidrógeno utilizando un microscopio de fuerza atómica criogénica (AFM) * , cuando los enlaces colgantes individuales se repasivaron por medio de una aguja de microscopio recubierta con hidrógeno, podría resolver un problema similar. Y nuevamente, los científicos se enfrentan a un problema. Esta vez es la velocidad del procedimiento. A pesar de la alta eficiencia de los errores de litografía de nivelación, el proceso tarda 10 segundos para 1 conexión colgante. Además, se agregan demoras debido a la necesidad de usar dos retroalimentaciones individuales y recubrir la aguja con hidrógeno después de cada procedimiento. En otras palabras, aunque la técnica muestra excelentes resultados, lleva mucho tiempo.

AFM * : un microscopio que le permite determinar la topografía de la superficie con una resolución hasta atómica.


Esquema de operación AFM

Detalles de creación de muestra

La muestra fue creada por STM a una temperatura de 4.5 K. En el proceso de litografía, se utilizaron pulsos de voltaje controlado. Y durante la repasivación, la aguja se movió en línea recta hacia la muestra utilizando un pequeño voltaje de polarización. Para ambos procesos, se suspendió el control de retroalimentación STM, utilizando los cambios en la corriente de túnel como la única señal, en la que se encontraron 2 firmas únicas para facilitar la exitosa repasación del hidrógeno. Si estas firmas actúan como señales de control, la corrección automática de errores es más rápida y funciona por más tiempo.

Por lo tanto, la litografía y la repasivación, trabajando juntas, nos permiten decir con confianza sobre la posibilidad de crear un dispositivo de almacenamiento de datos de tamaño atómico de pleno derecho. Como demostración, se crearon 2 muestras: 8 bits y 192 bits.

Un componente importante del experimento descrito también fue el estudio de Cu (100) pasivado con cloro, cuando se crea un kilobyte de memoria en vacantes de superficie sin la necesidad de manipulación vertical de átomos. Esta memoria puede funcionar a una temperatura de 77 K (−195.79 ° C) y permanecer estable hasta 44 horas. Fue posible superar este límite de temperatura precisamente debido al uso de enlaces colgantes estructurados, que demuestran una alta estabilidad térmica incluso a una temperatura de 477 K (203.85 ° C). Y la densidad de grabación se puede aumentar en un 32%, ya que las comunicaciones colgantes se pueden ubicar extremadamente cerca una de la otra. Otra característica importante era la capacidad en cualquier momento (no solo al crear una muestra) para crear o eliminar enlaces colgantes, lo que permite sobrescribir la información. Sin embargo, esta afirmación ha sido hasta ahora una teoría, ya que tales procesos están asociados con daños a la aguja del microscopio.

Resultados del experimento

Litografía de hidrógeno

Al realizar la litografía de hidrógeno, es importante una precisión increíble. En primer lugar, la posición de cada átomo de hidrógeno en la región seleccionada debe ser inequívocamente conocida para que la aguja del microscopio pase a través de la muestra correctamente. El más mínimo error puede llevar al hecho de que se eliminará el átomo equivocado, y esto conducirá a la inoperancia de la muestra.


Imagen No. 1

Además de la información sobre la ubicación de los átomos de hidrógeno, también es necesario conocer la posición de otros átomos, para que no tenga que repetir la exploración cada vez que se realicen los procedimientos de litografía.

La imagen 1a muestra una instantánea de la superficie de Si (100) -2x1. Podemos ver la distinta periodicidad de esta superficie. Es ella quien hace posible determinar la posición de todos los átomos de hidrógeno (imágenes 1b-f ) usando una sola imagen usando el análisis de Fourier.

Todo el proceso de análisis de Fourier se demuestra claramente en imágenes del grupo No. 1. Para detectar átomos de hidrógeno, utilizamos imágenes de tamaño 10x10 y 40x40 nm ² .

Después de dibujar un "mapa" de la superficie, se crea el patrón deseado en la rejilla, a lo largo del cual pasará la aguja del microscopio. Cuando la aguja se acerca al punto deseado, los pulsos de voltaje de 1.8 a 3.0 V se encienden durante 20 ms para eliminar con éxito los átomos de hidrógeno necesarios. Al finalizar la eliminación, el voltaje se apaga.


Imagen No. 2

Las imágenes 2a , 2b y 2d muestran el proceso de creación de estructuras de enlace colgantes (resultado en 2e ). Y en 2s : repasivación de hidrógeno para corregir errores de litografía.

Dado que la deriva de temperatura * y la fluencia * comienzan a ocurrir a temperaturas más altas, lo que lleva a errores, el STM funcionó a una temperatura de solo 4.5 K. En estas condiciones, los procesos son fáciles de controlar y el STM puede estabilizarse después de un corto tiempo.

Deriva de temperatura * : un cambio en los parámetros eléctricos bajo la influencia de la temperatura ambiente.

La fluencia * es un proceso lento de deformación de un sólido debido a una carga constante o tensión mecánica. En este caso, este es un efecto térmico.

Si no es posible hacer esto, o si la temperatura ambiente es superior a 4,5 K, se utiliza un método diferente para evitar errores. Para comenzar, se toma una imagen de control (10x10 nm ² ) junto a la imagen con la que funcionará el SMT. Después de cierto tiempo, el proceso de litografía se detiene y se toma una segunda toma del área tratada. Se realiza una comparación con una imagen de control para determinar si hubo alguna desviación del patrón dado debido a la deriva o al desplazamiento. Si es así, el patrón se ajusta para compensar los defectos.

Los investigadores probaron los resultados de la litografía sin una corrección similar y con ella. En el primer caso, la precisión fue solo del 35%, en el segundo - 85%, lo cual es un resultado sensato, ya que los errores restantes pueden corregirse mediante repasivación de hidrógeno.

Repasivación de hidrógeno

Como se indicó anteriormente, para eliminar errores en la superficie de la muestra, la repasivación de hidrógeno se realizó usando agujas de silicio con un átomo de hidrógeno en el extremo.

La aguja STM se acerca a la superficie de una determinada porción de la muestra y "engancha" el átomo de silicio, lo que permite la formación de la estructura de repasivación de hidrógeno necesaria. Cuando la aguja se combina con átomos de hidrógeno, las diferencias en las imágenes del microscopio se hacen visibles. Una aguja preparada para el procedimiento se coloca sobre un cierto enlace colgante a un voltaje de muestra de 1,4 V y una intensidad de corriente de 50 pA (picoamperios, 1 pA = 10 ⁻¹² A). Además, el control de retroalimentación se apaga y el voltaje cambia a un indicador del rango de 100 mV a 1.0 V. Durante el registro de la corriente de túnel, la aguja del microscopio se mueve hacia la muestra a las 500-800 pm (picómetro, 1 pm = 10 ⁻¹² m). Al finalizar el proceso, la aguja vuelve a su posición original, el voltaje se restablece a 1,4 V y se activa el control de retroalimentación.

Lo más sorprendente es que todo este proceso complejo y realizado se inicia con el clic de un botón, se ejecuta automáticamente y solo lleva 1 segundo.

Nos familiarizamos brevemente con los procedimientos inalienables, por lo tanto, podemos pasar a los más importantes e interesantes.

Memoria atómica

Entonces, usando la litografía de hidrógeno y la repasivación de hidrógeno, se crearon 2 muestras de trabajo de memoria atómica-dimensional.

1 bit fue delineado por cuatro paredes de celosía, estableciendo un buffer de 1 átomo entre enlaces colgantes adyacentes. Esto se puede ver en la imagen 1a .


Imagen 1a

Debido a la geometría ideal de la superficie de Si (100) -2x1 pasivada por hidrógeno, esta disposición permite obtener una densidad de bits muy alta: 1,70 bit / nm ² .

Muestra (a) - Alfabeto



La imagen de arriba muestra una memoria de 8 bits para codificar secuencialmente la representación binaria ASCII de cada letra del alfabeto inglés, sobrescribiendo la letra anterior cada vez. Tardó de 10 a 120 segundos en escribir 1 letra, dependiendo del número requerido de lazos colgantes. El proceso que lleva más tiempo al escribir cartas es la repasivación de hidrógeno, ya que está limitado por el número de átomos de hidrógeno libres en la punta de la aguja del microscopio. Es decir, la aguja debe abandonar el área de trabajo para "reponer" átomos de hidrógeno y luego continuar el proceso. Sin embargo, según los investigadores, un problema similar surge solo cuando se trabaja con objetos tan pequeños. Si la estructura tiene una gran cantidad de enlaces colgantes, entonces la aguja se renovará automáticamente con átomos en el proceso. Otra forma de acelerar el proceso es utilizar ciertos materiales para crear la aguja en sí. Por ejemplo, el platino es capaz de contener aproximadamente 1000 átomos de hidrógeno a la vez.

Muestra (b) - sonido



La segunda muestra es más grande que la primera, es una memoria de 192 bits con la misma densidad de bits, en la que se graba una versión simplificada de la melodía principal del juego de Mario. La estructura consta de 62 enlaces colgantes, y tardó 250 segundos en crearla. Esta melodía podría reproducirse utilizando STM y utilizando la imagen. Puede escucharlo descargando un video corto, que también muestra qué conexión colgante es responsable de qué nota.

Para un conocimiento más detallado del estudio, recomiendo altamente el informe de los científicos, que también describe los métodos de medición y los detalles de los experimentos.

Epílogo

Este estudio ha demostrado que crear memoria atómica funcional es absolutamente real. Al mismo tiempo, se utilizaron dispositivos asequibles y técnicas claras. Las características especiales de la litografía de hidrógeno y la repasivación pueden adaptarse para su uso no solo con silicio, sino también con otras sustancias, como el germanio o el diamante.

Aunque tal tecnología está en su infancia, pero, como sabemos, todas las tecnologías que prevalecen actualmente alguna vez estuvieron en una situación similar. La implementación de cualquier tecnología o dispositivo requiere no solo el uso práctico del conocimiento científico, la perseverancia, el tiempo, una gran cantidad de experimentos, sino también un poco de imaginación. No es de extrañar que el Sr. Feynman en el video dijera:

No quiero tomarlo en serio (con respecto a la ciencia). Creo que deberíamos divertirnos (divertirnos) y dejar de preocuparnos.

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