Mémoire atomique: alphabet 8 bits et morceau 192 bits de Mario

Du point de vue de la science, notre beau monde qui nous entoure est un flux infini de données. Chaque tweet, chaque commentaire sous une vidéo YouTube, la correspondance avec des proches via des messageries instantanées, des films, des jeux, des livres numériques, etc. etc. Tout cela forme le soi-disant champ d'information de la Terre. La concentration de données en elle augmente chaque année. Ainsi, d'ici 2025, la quantité totale de données dans le monde sera de 163 zettaoctets (selon Forbes ). Par exemple, j'ai un disque externe d'une capacité de 1 To, ce qui n'est pas tellement selon les normes modernes. 163 zétaoctets équivalent à 163 milliards de mes disques durs. La superficie d'un tel groupe de transporteurs serait d'environ 1,47 Tm ² (1 Tm = 10 ¹² m), sans parler de la masse de 26 080 000 tonnes.

Ce sont tous des chiffres amusants, mais le problème du stockage d'une grande quantité de données existe et de nombreux scientifiques dans le monde essaient de le résoudre. Aujourd'hui, nos héros ont pu améliorer leur propre invention en utilisant la technologie de la mémoire atomique. Comment ils ont réalisé cela et à quel moment une telle technologie deviendra publique, nous apprendrons de leur rapport. Allons-y.

Base d'étude

Le vif intérêt de nombreux scientifiques est la recherche et le développement de dispositifs atomiques. La capacité de manipuler des atomes a conduit de nombreuses personnes à élargir leur mission. Ainsi, le concept de «mémoire atomique» est apparu, en d'autres termes, c'est la capacité d'écrire des données sur l'atome lui-même. De telles idées ne sont pas nouvelles. En 1959, le physicien Richard Feynman a déclaré que tous les livres écrits au cours de la vie d'une personne pouvaient être placés dans un cube de 0,1 mm de large si chaque atome contenait au moins 1 bit d'information. Cette déclaration véritablement de science-fiction était en fait une vision de l'avenir que nous avons maintenant.


Je ne pourrais pas ajouter une vidéo où M. Feynman parle de façon très intéressante, claire et animée de certaines choses intéressantes sur les atomes

Cependant, il est extrêmement difficile de mettre en œuvre des dispositifs de taille atomique en dehors des laboratoires en raison de leur instabilité à température ambiante et de l'isolation électronique des substrats de support. La lithographie à l'hydrogène est venue à la rescousse, c'est-à-dire l'élimination des atomes d'hydrogène de la surface du silicium passivée d' hydrogène * . Une technique similaire permet de se débarrasser des inconvénients décrits ci-dessus des dispositifs atomiques sans avoir besoin de matériaux spécifiques. Jusqu'à récemment, il était encore impossible de créer de grands systèmes atomiques utilisant la lithographie à l'hydrogène qui fonctionneraient sans erreur.

Passivation * - la formation d'un film mince à haute résistance sur l'objet.

Pour la lithographie à l'hydrogène, vous pouvez utiliser un microscope à effet tunnel (STM) * , avec lequel il est possible de détruire certains composés Si-H (silicium-hydrogène) au moyen d'une diffusion d' électrons inélastique à basse énergie * d' électrons, exposant ainsi la liaison pendante * de l'atome de silicium sous-jacent.


Schéma STM

La diffusion inélastique * est une collision de particules, qui entraîne un changement de leur état, la formation de nouvelles particules, leur transformation en d'autres ou la naissance de nouvelles particules.

Une liaison pendante * est une coquille non remplie d'un atome dans une molécule ou un solide.

Les liaisons pendantes des atomes de silicium sont devenues une composante importante de l'étude car ce sont, en quelque sorte, des points quantiques atomiques * , dont l'état électronique reste isolé à l'intérieur de la bande interdite * du silicium.

Un point quantique * (ou «atome artificiel») est une particule semi-conductrice. En raison de sa taille extrêmement petite, ses propriétés optiques et électroniques sont très différentes de celles des particules plus grosses.

La zone interdite * est la plage de valeurs énergétiques qu'un électron ne peut pas posséder dans un corps cristallin idéal.

Une autre caractéristique importante des liaisons pendantes est leur stabilité à des températures d'environ 500 K (226,85 ° C).

Il est clair que la lithographie à l'hydrogène cache un moyen de résoudre les problèmes des dispositifs atomiques, y compris la mémoire atomique. Mais pour la mise en œuvre pratique de tels dispositifs, il est nécessaire d'atteindre un niveau d'erreur de 0%, ce qui est extrêmement difficile. Par conséquent, l'attention des scientifiques visait à augmenter la précision atomique, car la suppression erronée d'au moins un atome d'hydrogène peut entraîner l'inopérabilité de l'ensemble du système. Une nouvelle méthode pour corriger les erreurs de lithographie à l'hydrogène à l'aide d'un microscope à force atomique cryogénique (AFM) * , lorsque les liaisons pendantes individuelles étaient repassivées au moyen d'une aiguille de microscope recouverte d'hydrogène, pourrait résoudre un problème similaire. Et encore une fois, les scientifiques sont confrontés à un problème. Cette fois, c'est la vitesse de la procédure. Malgré la grande efficacité de nivellement des erreurs de lithographie, le processus prend 10 secondes pour 1 connexion pendante. De plus, des retards sont ajoutés en raison de la nécessité d'utiliser deux rétroactions individuelles et de recouvrir l'aiguille d'hydrogène après chaque procédure. En d'autres termes, bien que la technique donne d'excellents résultats, elle prend beaucoup de temps.

AFM * - un microscope qui vous permet de déterminer la topographie de surface avec une résolution jusqu'à atomique.


Schéma de fonctionnement AFM

Exemples de détails de création

L'échantillon a été créé par STM à une température de 4,5 K. Au cours de la lithographie, des impulsions de tension contrôlées ont été utilisées. Et pendant la repassivation, l'aiguille a été déplacée en ligne droite vers l'échantillon en utilisant une petite tension de polarisation. Pour les deux processus, le contrôle de rétroaction STM a été suspendu, en utilisant comme seuls changements de signal dans le courant de tunnelisation, dans lesquels 2 signatures uniques ont été trouvées pour faciliter la repassation réussie de l'hydrogène. Si ces signatures agissent comme des signaux de contrôle, la correction automatique des erreurs est plus rapide et fonctionne beaucoup plus longtemps.

Ainsi, la lithographie et la repassivation, travaillant ensemble, nous permettent de dire avec confiance la possibilité de créer un dispositif de stockage de données de taille atomique à part entière. A titre de démonstration, 2 échantillons ont été créés: 8 bits et 192 bits.

Une composante importante de l'expérience décrite était également des études sur le Cu passivé par le chlore (100), lorsqu'un kilo-octet de mémoire est créé sur les lacunes de surface sans avoir besoin de manipulation verticale des atomes. Cette mémoire peut fonctionner à une température de 77 K (−195,79 ° C) et rester stable jusqu'à 44 heures. Il a été possible de dépasser cette limite de température précisément grâce à l'utilisation de liaisons pendantes structurées, qui démontrent une stabilité thermique élevée même à une température de 477 K (203,85 ° C). Et la densité d'enregistrement peut être augmentée de 32%, car les communications pendantes peuvent être situées extrêmement proches les unes des autres. Une autre caractéristique importante était la possibilité à tout moment (pas seulement lors de la création d'un échantillon) de créer ou de supprimer des liaisons pendantes, permettant ainsi d'écraser des informations. Cependant, cette affirmation est restée jusqu'à présent une théorie, car de tels processus sont associés à des dommages à l'aiguille du microscope.

Résultats de l'expérience

Lithographie à l'hydrogène

Lors de la lithographie à l'hydrogène, une précision incroyable est importante. Tout d'abord, la position de chaque atome d'hydrogène dans la région sélectionnée doit être connue sans ambiguïté pour que l'aiguille du microscope traverse correctement l'échantillon. La moindre erreur peut conduire au fait que le mauvais atome sera retiré, ce qui entraînera l'inopérabilité de l'échantillon.


Image n ° 1

En plus des informations sur l'emplacement des atomes d'hydrogène, il est également nécessaire de connaître la position des autres atomes, afin que vous n'ayez pas à répéter le scan à chaque fois après les procédures de lithographie.

L'image 1a montre un instantané de la surface de Si (100) -2x1. Nous pouvons voir la périodicité distincte de cette surface. C'est elle qui permet de déterminer la position de tous les atomes d'hydrogène (images 1b-f ) à l'aide d'une seule image par analyse de Fourier.

L'ensemble du processus d'analyse de Fourier est clairement démontré sur les images du groupe n ° 1. Pour détecter les atomes d'hydrogène, nous avons utilisé des images de taille 10x10 et 40x40 nm ² .

Après avoir dressé une «carte» de la surface, le motif souhaité est créé sur le réseau, le long duquel passera l'aiguille du microscope. Lorsque l'aiguille s'approche du point souhaité, des impulsions de tension de 1,8 à 3,0 V sont activées pendant 20 ms pour éliminer avec succès les atomes d'hydrogène nécessaires. Une fois le retrait terminé, la tension est coupée.


Image n ° 2

Les images 2a , 2b et 2d montrent le processus de création de structures de liaison pendantes (résultat en 2e ). Et sur 2s - repassivation hydrogène pour corriger les erreurs de lithographie.

Étant donné que la dérive de température * et le fluage * commencent à se produire à des températures plus élevées, entraînant des erreurs, la STM a fonctionné à une température de seulement 4,5 K.Dans ces conditions, les processus sont faciles à contrôler et la STM peut être stabilisée en peu de temps.

Dérive de température * - un changement des paramètres électriques sous l'influence de la température ambiante.

Le fluage * est un processus lent de déformation d'un solide dû à une charge constante ou à une contrainte mécanique. Dans ce cas, il s'agit d'un effet thermique.

S'il n'est pas possible de le faire, ou si la température ambiante est supérieure à 4,5 K, une méthode différente de prévention des erreurs est utilisée. Pour commencer, une image de contrôle (10x10 nm ² ) est prise à côté de celle avec laquelle le SMT fonctionnera. Après un certain temps, le processus de lithographie s'arrête et une deuxième photo de la zone traitée est prise. Une comparaison est effectuée avec une image de contrôle pour déterminer s'il y a eu des écarts par rapport au motif donné en raison de la dérive ou du fluage. Si c'est le cas, le motif est ajusté pour compenser les défauts.

Les chercheurs ont testé les résultats de la lithographie sans correction similaire et avec elle. Dans le premier cas, la précision n'était que de 35%, dans le second - 85%, ce qui est un résultat sain, car les erreurs restantes peuvent être corrigées par repassivation d'hydrogène.

Repassivation hydrogène

Comme indiqué précédemment, afin d'éliminer les erreurs sur la surface de l'échantillon, une repassivation de l'hydrogène a été effectuée en utilisant des aiguilles de silicium avec un atome d'hydrogène à la fin.

L'aiguille STM s'approche de la surface d'une certaine partie de l'échantillon et «accroche» l'atome de silicium, ce qui permet la formation de la structure de repassivation d'hydrogène nécessaire. Lorsque l'aiguille est combinée avec des atomes d'hydrogène, les différences dans les images du microscope deviennent visibles. Une aiguille préparée pour la procédure est placée sur une certaine liaison pendant à une tension d'échantillonnage de 1,4 V et une intensité de courant de 50 pA (picoampère, 1 pA = 10 ^-12 A). De plus, la commande de rétroaction est désactivée et la tension passe à un indicateur de la plage de 100 mV à 1,0 V. Pendant l'enregistrement du courant de tunnel, l'aiguille du microscope se déplace vers l'échantillon de 500 à 800 pm (picomètre, 1 pm = ^10-12 m). À la fin du processus, l'aiguille revient à sa position d'origine, la tension est rétablie à 1,4 V et la commande de rétroaction est activée.

La chose la plus étonnante est que tout ce processus complexe et mené est lancé en un clic, il s'exécute automatiquement et ne prend que 1 seconde.

Nous nous sommes brièvement familiarisés avec les procédures inaliénables, nous pouvons donc passer aux plus importantes et intéressantes.

Mémoire atomique

Ainsi, en utilisant la lithographie à l'hydrogène et la repassivation à l'hydrogène, 2 échantillons de travail de mémoire atomique ont été créés.

1 bit a été délimité par quatre parois en treillis, définissant un tampon de 1 atome entre les liaisons pendantes adjacentes. Cela peut être vu dans l'image 1a .


Image 1a

Du fait de la géométrie idéale de la surface Si (100) -2x1 passivée d'hydrogène, cette disposition permet d'obtenir une densité de bits très élevée - 1,70 bit / nm ² .

Exemple (a) - Alphabet



L'image ci-dessus montre une mémoire de 8 bits pour coder séquentiellement la représentation binaire ASCII de chaque lettre de l'alphabet anglais, en écrasant la lettre précédente à chaque fois. Il a fallu de 10 à 120 secondes pour écrire 1 lettre, selon le nombre requis de liens pendants. Le processus le plus long à écrire des lettres est la repassivation de l'hydrogène, car il est limité par le nombre d'atomes d'hydrogène libres à la pointe de l'aiguille du microscope. Autrement dit, l'aiguille doit quitter la zone de travail pour «reconstituer» les atomes d'hydrogène, puis poursuivre le processus. Cependant, un problème similaire, selon les chercheurs, ne se pose que lorsque vous travaillez avec de si petits objets. Si la structure a un grand nombre de liaisons pendantes, l'aiguille se renouvellera d'elle-même avec les atomes dans le processus. Une autre façon d'accélérer le processus consiste à utiliser certains matériaux pour créer l'aiguille elle-même. Par exemple, le platine est capable de contenir environ 1 000 atomes d'hydrogène à la fois.

Échantillon (b) - son



Le deuxième échantillon est plus grand que le premier, c'est une mémoire de 192 bits avec la même densité de bits, sur laquelle est enregistrée une version simplifiée de la mélodie principale du jeu Mario. La structure se compose de 62 liaisons pendantes et il a fallu 250 secondes pour la créer. Cette mélodie pourrait être reproduite à la fois en utilisant STM et en utilisant l'image. Vous pouvez l'écouter en téléchargeant une courte vidéo , qui montre également quelle connexion pendante est responsable de quelle note.

Pour une connaissance plus détaillée de l'étude, je recommande fortement le rapport des scientifiques, qui décrit également les méthodes de mesure et les détails des expériences elles-mêmes.

Épilogue

Cette étude a démontré que la création d'une mémoire atomique fonctionnelle est absolument réelle. Dans le même temps, des appareils abordables et des techniques claires ont été utilisés. Les caractéristiques particulières de la lithographie à l'hydrogène et de la repassivation peuvent être adaptées pour une utilisation non seulement avec du silicium, mais aussi avec d'autres substances, par exemple le germanium ou le diamant.

Bien qu'une telle technologie en soit à ses balbutiements, mais, comme nous le savons, toutes les technologies actuellement répandues se trouvaient autrefois dans une situation similaire. La mise en œuvre de toute technologie ou appareil nécessite non seulement l'utilisation pratique des connaissances scientifiques, la persévérance, le temps, un grand nombre d'expériences, mais aussi un peu d'imagination. Pas étonnant que M. Feynman dans la vidéo ait dit:

Je ne veux pas le prendre au sérieux (concernant la science). Je crois que nous devrions nous amuser (s'amuser) et cesser de nous inquiéter.

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 Go DDR4 6x480 Go SSD 1 Gbps 100 TV à partir de 249 $ aux Pays-Bas et aux États-Unis! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?