आईबीएम ने एक परमाणु में एक ही जानकारी दर्ज की

2017 में दुनिया का सबसे छोटा चुंबक। फोटो: आईबीएम

आईबीएम अल्माडेन रिसर्च सेंटर और लॉज़ेन में फ़ेडरल पॉलिटेक्निक स्कूल की टीमों के नेतृत्व में एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने भौतिक मीडिया पर जानकारी संग्रहीत करने के लिए शास्त्रीय दृष्टिकोण की पूर्ण सीमा के करीब आ गई है। वैज्ञानिकों ने एक परमाणु पर दुनिया का सबसे छोटा चुंबक बनाया और वहां 1 बिट डेटा लिखा। समझने के लिए: सबसे आधुनिक एचडीडी पर, लगभग 100,000 परमाणुओं को एक बिट रिकॉर्ड करने के लिए उपयोग किया जाता है।

परमाणु स्तर पर जानकारी लिखना और पढ़ना छोटी ड्राइव और बड़ी क्षमता बनाने के लिए अविश्वसनीय अवसर खोलता है।

आज तक, 3-12 परमाणुओं के क्लस्टर पता करने योग्य बस्टेबल चुंबकीय बिट्स की अधिकतम सीमा है। इसी समय, आणविक मैग्नेट में व्यक्तिगत लैंथेनाइड परमाणुओं, क्रिस्टल में लैंथेनाइड्स और हाल ही में होल्मियम परमाणुओं (हो) में मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) के एक इन्सुलेट सब्सट्रेट पर चुंबकीय छूट की लंबी अवधि साबित हुई है।

लैंथेनाइड्स 15 दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं के परिवार हैं जिनकी परमाणु संख्या 57-71 (लांथनम से लुटेटियम तक) है। सेरियम से ytterbium तक सभी लैंथेनाइड्स में, 4f उपधारा भर जाती है। अनपेक्षित 4f इलेक्ट्रॉनों ने इनमें से कुछ धातुओं को अद्वितीय चुंबकीय गुणों (उदाहरण के लिए, नियोडिमियम में) के साथ बंद कर दिया।

इसलिए, हाल के प्रयोगों के परिणामस्वरूप, यह स्पष्ट हो गया कि व्यक्तिगत लैंथेनाइड परमाणु लंबे समय तक एक चुंबकीय स्थिति बनाए रखने में सक्षम हैं। इन परिणामों ने आगे के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्ग का संकेत दिया, जो हमें परमाणु स्तर पर सूचना के वास्तविक भंडारण में प्रवेश करने की अनुमति देगा। केवल एक ही तकनीकी समस्या थी - परमाणुओं के व्यक्तिगत चुंबकीय केंद्रों तक पहुंच कैसे प्राप्त करें, अर्थात्, राज्य को विश्वसनीय और सटीक तरीके से पढ़ने के लिए अभ्यास कैसे करें?

अब आईबीएम अल्माडेन रिसर्च सेंटर के शोधकर्ता इस समस्या को हल करने में सक्षम हो गए हैं । उन्होंने व्यक्तिगत परमाणुओं को चुंबकित करने का एक तरीका खोजा और साबित किया कि चुम्बकीय स्थिति लंबे समय तक बनी रहती है।

एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके इलेक्ट्रिक दालों द्वारा जानकारी दर्ज की गई थी। प्रत्येक नाड़ी परमाणु पर उत्तर और दक्षिण चुंबकीय ध्रुवों को परस्पर जोड़ती है, जो कि 0 और 1 के मूल्यों से मेल खाती है।


आईबीएम रिसर्च के डॉ। क्रिस्टोफर लुत्ज नोबेल पुरस्कार के लिए आईबीएम स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग एक एकल-परमाणु चुंबक को डेटा लिखने के लिए करते हैं।

सुरंग चुंबकत्व के प्रभाव का उपयोग करते हुए होल्मियम परमाणुओं की स्थिति को पढ़ा गया था। लगभग 1 एनएम की दूरी पर, एक लोहे के परमाणु (Fe) को होल्मियम परमाणु के बगल में रखा जाता है, जिसके साथ इलेक्ट्रॉन स्पिन का एक परमाणु परमाणु अनुनाद होता है ( इलेक्ट्रॉन स्पिन के कारण इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद )। अर्थात्, एक लोहे का परमाणु एक होल्मियम परमाणु की चुंबकीय स्थिति का पता लगा सकता है।


प्रयोगात्मक सेटअप और एक लोहे के परमाणु से पास के स्थानीय मैग्नेटोमीटर के साथ एक होल्मियम परमाणु की चुंबकीय स्थिति को स्विच करना

आईबीएम ने एक साल पहले लोहे के परमाणु सेंसर के बारे में बात की थी । यह सेंसर के एक नए वर्ग का प्रतिनिधि है जिसे आईबीएम ने 2015 में आविष्कार किया था - तथाकथित इलेक्ट्रॉन स्पिन प्रतिध्वनि सेंसर (ईएसआर सेंसर)। अब यह स्पष्ट है कि कंपनी को इस तकनीक की आवश्यकता क्यों थी। सेंसर के संचालन का सिद्धांत चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के सिद्धांत जैसा दिखता है, केवल यहां यह व्यक्तिगत परमाणुओं पर लागू होता है। मुद्दा यह है कि जब चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति और तीव्रता कुछ निश्चित मूल्यों तक पहुंच जाती है, तो होलमियम परमाणु में अप्रकाशित इलेक्ट्रॉन थर्मोडायनामिक संतुलन से बाहर हो जाता है। ईएसआर सेंसर द्वारा इस तेज उछाल (नीचे ग्राफ देखें) का पता लगाया गया है। होल्मियम के संभावित चुंबकीय राज्यों के आधार पर, संभावित आवृत्तियों में से एक पर एक फट हो सकता है।



लोहे के परमाणु (ईएसआर सेंसर) का उपयोग करना, होल्मियम परमाणु के चुंबकीय स्थिति को पढ़ना संभव है, अर्थात, होलीम परमाणुओं के सर्वर और दक्षिण ध्रुवों को पहचानना। चूँकि हमारे पास स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के माध्यम से विद्युत दालों द्वारा इस स्थिति को बदलने का एक तरीका है, इसलिए हमें अन्य जानकारी को रिकॉर्ड करने और पढ़ने के लिए पूरी तरह कार्यात्मक प्रणाली मिलती है। एक होल्मियम परमाणु के चुंबकीय क्षेत्र के दो संभावित राज्य 0 और 1 के मूल्यों के अनुरूप हैं।

एक आईबीएम प्रयोग में, यह साबित हुआ कि एक ईएसआर सेंसर दो होल्मियम परमाणुओं से डेटा को सफलतापूर्वक पढ़ सकता है।



साइंटिफिक आर्टिकल नेचर में 8 मार्च, 2017 को प्रकाशित किया गया था (doi: 10.1038 / nature21371)।

दिलचस्प है, अगर 1 बिट 1 परमाणु से मेल खाती है, तो जानकारी का शाब्दिक रूप से वजन, अर्थात् ग्राम में मापा जा सकता है। उदाहरण के लिए, होल्मियम के एक ग्राम में 3.65 × 10 ²¹ परमाणु (होल्मियम का परमाणु भार 164.93032 g / mol, Avogadro का नम्बर 6.02214179 × 10 ²³ ) होता है, और लगभग 3.65 कट्टे जानकारी प्राप्त होती है।

इस प्रकार, ड्राइव का 1 ग्राम 456 एक्सबाइट डेटा संग्रहीत करता है।

डॉ। लुट्ज़ को विश्वास नहीं है कि होल्मियम परमाणु निकट भविष्य में घरेलू भंडारण उपकरणों की जगह लेंगे, क्योंकि तब आपको घर पर एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप स्थापित करने की आवश्यकता होती है जो 4 K पर काम करता है ताकि रिकॉर्ड की गई जानकारी वाले परमाणु भाग न जाएं। मोबाइल उपकरणों में, इस तरह की स्थितियां बनाना समस्याग्रस्त होगा।

फिर भी, भौतिक विज्ञानी मोनोटोमिक ईएसआर सेंसर के लिए संभावनाओं के बारे में आशावादी है, जिनकी क्षमताएं वास्तव में आश्चर्यजनक हैं।