IBM a enregistré un seul bit d'information dans un atome

Le plus petit aimant du monde, 2017. Photo: IBM

Une équipe internationale dirigée par des équipes du Centre de recherche IBM Almaden et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne a atteint la limite absolue de l'approche classique de stockage d'informations sur des supports physiques. Les scientifiques ont créé le plus petit aimant du monde sur un atome et y ont écrit 1 bit de données. Pour comprendre: sur les disques durs les plus modernes, environ 100 000 atomes sont utilisés pour enregistrer un bit.

Écrire et lire des informations au niveau atomique ouvre des opportunités incroyables pour créer des disques plus petits et des capacités plus grandes.

À ce jour, les grappes de 3 à 12 atomes ont été la limite maximale de bits magnétiques bistables adressables. Dans le même temps, de longues périodes de relaxation magnétique ont été prouvées pour des atomes de lanthanides individuels dans des aimants moléculaires, des lanthanides dans des cristaux et récemment dans des atomes d'holmium (Ho) sur un substrat isolant d'oxyde de magnésium (MgO).

Les lanthanides sont une famille de 15 métaux des terres rares avec des numéros atomiques 57-71 (du lanthane au lutétium). Dans tous les lanthanides du cérium à l'ytterbium, la sous-couche 4f est remplie. Les électrons 4f non appariés confèrent à certains de ces métaux des propriétés magnétiques uniques (par exemple, dans le néodyme).

Ainsi, à la suite d'expériences récentes, il est devenu clair que les atomes de lanthanides individuels sont capables de maintenir un état magnétique pendant une longue période. Ces résultats ont indiqué une voie claire pour de nouvelles expériences, qui nous permettront d'entrer dans le véritable stockage de l'information au niveau atomique. Il n'y avait qu'un seul problème technologique - comment accéder aux centres magnétiques individuels des atomes, c'est-à-dire, comment en pratique lire l'état de manière fiable et précise?

Désormais, des chercheurs du centre de recherche IBM Almaden ont pu résoudre ce problème . Ils ont trouvé un moyen de magnétiser des atomes individuels et ont prouvé que l'état magnétisé persiste pendant longtemps.

Les informations ont été enregistrées par des impulsions électriques à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Chaque impulsion échange les pôles magnétiques nord et sud sur l'atome, ce qui correspond aux valeurs 0 et 1.


Le Dr Christopher Lutz d'IBM Research utilise le microscope à effet tunnel IBM pour le prix Nobel pour écrire des données sur un aimant à un atome

L'état des atomes d'holmium a été lu en utilisant l'effet de la magnétorésistance tunnel . À une distance d'environ 1 nm, un atome de fer (Fe) est placé à côté de l'atome d'holmium, avec lequel se produit une seule résonance atomique du spin électronique ( résonance paramagnétique électronique due aux spins électroniques). Autrement dit, un atome de fer peut détecter l'état magnétique d'un atome d'holmium.


Configuration expérimentale et commutation de l'état magnétique d'un atome d'holmium avec un magnétomètre local à proximité d'un atome de fer

IBM a parlé du capteur d'atomes de fer il y a un an . Il s'agit d'un représentant d'une nouvelle classe de capteurs qu'IBM a inventé en 2015 - les soi-disant capteurs à résonance de spin électronique (capteurs ESR). Maintenant, il est clair pourquoi l'entreprise avait besoin de cette technologie. Le principe de fonctionnement du capteur ressemble au principe de l'imagerie par résonance magnétique, seulement ici il est appliqué à des atomes individuels. Le fait est que lorsque la fréquence et l'intensité du champ magnétique atteignent certaines valeurs, l'électron non apparié dans l'atome d'holmium se déséquilibre thermodynamiquement. Cette forte augmentation (voir graphique ci-dessous) est détectée par le capteur ESR. Selon les états magnétiques possibles de l'holmium, une salve peut se produire à l'une des fréquences possibles.



En utilisant l'atome de fer (capteur ESR), il devient possible de lire l'état magnétique de l'atome d'holmium, c'est-à-dire de reconnaître le serveur et les pôles sud des atomes d'holmium. Puisque nous avons un moyen de changer cet état par des impulsions électriques à travers un microscope à effet tunnel, nous obtenons un système entièrement fonctionnel pour enregistrer et lire des informations numériques. Deux états possibles du champ magnétique d'un atome d'holmium correspondent aux valeurs 0 et 1.

Dans une expérience IBM, il a été prouvé qu'un capteur ESR peut lire avec succès les données de deux atomes d'holmium.



L'article scientifique a été publié dans la revue Nature le 8 mars 2017 (doi: 10.1038 / nature21371).

Fait intéressant, si 1 bit correspond à 1 atome, les informations peuvent littéralement être mesurées en poids, c'est-à-dire en grammes. Par exemple, un gramme d'holmium contient 3,65 × 10 ²¹ atomes (le poids atomique de l'holmium est 164,93032 g / mol, le nombre d'Avogadro est 6,02214179 × 10 ²³ ), et environ 3,65 zettabit d'informations sont obtenus.

Ainsi, 1 gramme du lecteur stocke 456 exaoctets de données.

Le Dr Lutz ne croit pas que les atomes d'holmium remplaceront les dispositifs de stockage à domicile dans un proche avenir, car vous devez alors installer un microscope à tunnel à balayage à la maison qui fonctionne à 4 K afin que les atomes contenant des informations enregistrées ne s'enfuient pas. Dans les appareils mobiles, il sera problématique de créer de telles conditions.

Néanmoins, le physicien est optimiste quant aux perspectives des capteurs ESR monatomiques, dont les capacités sont vraiment étonnantes.