परमाणु मेमोरी: मारियो से 8-बिट वर्णमाला और 192-बिट ट्यून

विज्ञान की दृष्टि से, हमारे आसपास की हमारी खूबसूरत दुनिया डेटा की एक अंतहीन धारा है। प्रत्येक ट्वीट, एक यूट्यूब वीडियो के तहत प्रत्येक टिप्पणी, तत्काल दूतों, फिल्मों, खेल, डिजिटल पुस्तकों, आदि के माध्यम से रिश्तेदारों के साथ पत्राचार। आदि यह सब पृथ्वी के तथाकथित सूचना क्षेत्र का निर्माण करता है। इसमें डेटा की सांद्रता हर साल बढ़ रही है। तो 2025 तक, दुनिया में डेटा की कुल मात्रा 163 zettabytes ( फोर्ब्स के अनुसार) होगी। उदाहरण के लिए, मेरे पास 1 टीबी की क्षमता के साथ एक बाहरी ड्राइव है, जो आधुनिक मानकों से बहुत अधिक नहीं है। 163 ज़ेटाबाइट्स मेरे HDD के 163 बिलियन के बराबर है। 26,080,000 टन के द्रव्यमान का उल्लेख नहीं करने के लिए वाहक के ऐसे क्लस्टर का क्षेत्रफल लगभग 1.47 टीएम ² (1 टीएम = 10 ¹² मीटर) होगा।

ये सभी मजाकिया संख्याएं हैं, लेकिन बड़ी मात्रा में डेटा संग्रहीत करने की समस्या मौजूद है, और दुनिया के कई वैज्ञानिक इसे हल करने की कोशिश कर रहे हैं। हमारे नायक आज परमाणु स्मृति प्रौद्योगिकी का उपयोग करके अपने स्वयं के आविष्कार में सुधार करने में सक्षम थे। उन्हें यह कैसे पता चला और जल्द ही ऐसी तकनीक सार्वजनिक रूप से उपलब्ध हो जाएगी, हम उनकी रिपोर्ट से सीखेंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

कई वैज्ञानिकों की जीवंत रुचि परमाणु उपकरणों का अनुसंधान और विकास है। परमाणुओं में हेरफेर करने की क्षमता ने कई को अपने मिशन का विस्तार करने के लिए प्रेरित किया है। तो "परमाणु स्मृति" की अवधारणा प्रकट हुई, दूसरे शब्दों में, यह परमाणु पर डेटा लिखने की क्षमता है। ऐसे विचार नए नहीं हैं। 1959 में वापस, भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने कहा कि किसी व्यक्ति के जीवन के दौरान लिखी गई सभी पुस्तकों को क्यूब 0.1 मिमी चौड़ा में रखा जा सकता है यदि प्रत्येक परमाणु में कम से कम 1 बिट जानकारी हो। यह वास्तव में विज्ञान-फाई कथन वास्तव में भविष्य का एक दृष्टिकोण था जो अब हमारे पास है।


मैं एक वीडियो नहीं जोड़ सका जहां श्री फेनमैन बहुत दिलचस्प, स्पष्ट रूप से और एनिमेटेड रूप से परमाणुओं के बारे में कुछ दिलचस्प बातें करते हैं

हालांकि, प्रयोगशालाओं के बाहर परमाणु आकार के उपकरणों को लागू करना बेहद मुश्किल है क्योंकि कमरे के तापमान पर उनकी अस्थिरता और प्रोडक्शंस से इलेक्ट्रॉनिक अलगाव। हाइड्रोजन लिथोग्राफी बचाव में आया, अर्थात् हाइड्रोजन से हाइड्रोजन परमाणुओं को हटाने * सिलिकॉन की सतह। एक समान तकनीक विशिष्ट सामग्रियों की आवश्यकता के बिना परमाणु उपकरणों के उपर्युक्त नुकसान से छुटकारा पाने में मदद करती है। हाल तक तक, हाइड्रोजन लिथोग्राफी का उपयोग करके बड़ी परमाणु प्रणाली बनाना असंभव था जो बिना त्रुटि के काम करेगा।

जुनून * - वस्तु पर उच्च प्रतिरोध के साथ एक पतली फिल्म का गठन।

हाइड्रोजन लिथोग्राफी के लिए, आप एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) * का उपयोग कर सकते हैं, जिसके साथ इलेक्ट्रॉनों के कम-ऊर्जा इनलेस्टिक इलेक्ट्रान बिखरने * के माध्यम से कुछ सी - एच (सिलिकॉन-हाइड्रोजन) यौगिकों को नष्ट करना संभव है, जिससे सिलिकॉन परमाणु के लटकते बंधन * का पता चलता है।


एसटीएम योजनाबद्ध

इनलैस्टिक स्कैटरिंग * कणों की एक टक्कर है, जो उनके राज्य में परिवर्तन, नए कणों के निर्माण, दूसरों में परिवर्तन या नए कणों के जन्म की ओर जाता है।

एक लटकता हुआ बंधन * अणु या ठोस में एक परमाणु का एक अनफ़िल्ड खोल है।

सिलिकॉन परमाणुओं के झूलने वाले बंधन अध्ययन का एक महत्वपूर्ण घटक बन गए क्योंकि वे एक प्रकार के परमाणु क्वांटम डॉट्स * की तरह हैं , जिनकी इलेक्ट्रॉनिक अवस्था सिलिकॉन के बैंड गैप * के अंदर अलग-थलग रहती है।

एक क्वांटम डॉट * (या "कृत्रिम परमाणु") एक अर्धचालक कण है। अपने छोटे आकार के कारण, इसके ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण बड़े कणों की तुलना में बहुत अलग हैं।

निषिद्ध क्षेत्र * ऊर्जा मूल्यों की एक सीमा है जो एक इलेक्ट्रॉन एक आदर्श क्रिस्टलीय शरीर में नहीं हो सकता है।

झूलते हुए बांड की एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता लगभग 500 K (226.85 ° C) के तापमान पर उनकी स्थिरता है।

यह स्पष्ट है कि हाइड्रोजन लिथोग्राफी परमाणु उपकरणों की समस्याओं को हल करने के लिए एक रास्ता छुपाती है, जिसमें परमाणु मेमोरी भी शामिल है। लेकिन ऐसे उपकरणों के व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए, 0% त्रुटियों के स्तर को प्राप्त करना आवश्यक है, जो अत्यंत कठिन है। इसलिए, वैज्ञानिकों का ध्यान परमाणु सटीकता को बढ़ाने के उद्देश्य से था, क्योंकि कम से कम एक हाइड्रोजन परमाणु को गलत तरीके से हटाने से पूरे सिस्टम की निष्क्रियता हो सकती है। एक क्रायोजेनिक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) * का उपयोग करके हाइड्रोजन लिथोग्राफी में त्रुटियों को ठीक करने के लिए एक नई विधि, जब हाइड्रोजन के साथ लेपित माइक्रोस्कोप सुई के माध्यम से अलग-अलग झूलने वाले बांडों को पुन: पेश किया गया था, एक समान समस्या को हल कर सकता है। और फिर, वैज्ञानिकों को एक समस्या का सामना करना पड़ रहा है। इस समय यह प्रक्रिया की गति है। लिथोग्राफी त्रुटियों को समतल करने की उच्च दक्षता के बावजूद, इस प्रक्रिया में 1 झूलने वाले कनेक्शन के लिए 10 सेकंड लगते हैं। साथ ही, दो अलग-अलग फीडबैक का उपयोग करने और प्रत्येक प्रक्रिया के बाद हाइड्रोजन के साथ सुई को फिर से कोट करने की आवश्यकता के कारण देरी को जोड़ा जाता है। दूसरे शब्दों में, हालांकि तकनीक उत्कृष्ट परिणाम दिखाती है, लेकिन इसमें बहुत समय लगता है।

एएफएम * - एक माइक्रोस्कोप जो आपको परमाणु तक के संकल्प के साथ सतह स्थलाकृति का निर्धारण करने की अनुमति देता है।


एएफएम ऑपरेशन योजना

नमूना निर्माण विवरण

नमूना 4.5 K के तापमान पर STM द्वारा बनाया गया था। लिथोग्राफी की प्रक्रिया में, नियंत्रित वोल्टेज दालों का उपयोग किया गया था। और पुनरावृत्ति के दौरान, सुई को एक छोटे से पूर्वाग्रह वोल्टेज का उपयोग करके एक सीधी रेखा में ले जाया गया। दोनों प्रक्रियाओं के लिए, एसटीएम फीडबैक कंट्रोल को केवल सिग्नल के रूप में टनलिंग करंट में परिवर्तन का उपयोग करते हुए निलंबित कर दिया गया था, जिसमें सफल हाइड्रोजन प्रत्यावर्तन को सुविधाजनक बनाने के लिए 2 अद्वितीय हस्ताक्षर पाए गए थे। यदि ये हस्ताक्षर नियंत्रण संकेतों के रूप में कार्य करते हैं, तो स्वचालित त्रुटि सुधार तेज है और बहुत लंबे समय तक काम करता है।

इस प्रकार, लिथोग्राफी और पुनरावृत्ति, एक साथ काम करते हुए, हमें पूर्ण-आकार के एटोमिक-आकार के डेटा स्टोरेज डिवाइस बनाने की संभावना के बारे में विश्वास के साथ कहने की अनुमति देते हैं। प्रदर्शन के रूप में, 2 नमूने बनाए गए: 8 बिट्स और 192 बिट्स।

वर्णित प्रयोग का एक महत्वपूर्ण घटक क्लोरीन-निष्क्रिय सीयू (100) पर भी अध्ययन किया गया था, जब परमाणुओं के ऊर्ध्वाधर हेरफेर की आवश्यकता के बिना सतह की रिक्तियों पर एक किलोबाइट मेमोरी बनाई जाती है। यह मेमोरी 77 K (.7195.79 ° C) के तापमान पर चल सकती है और 44 घंटों तक स्थिर रह सकती है। संरचित झूलने वाले बांड के उपयोग के कारण इस तापमान सीमा को ठीक से पार करना संभव था, जो 477 K (203.85 ° C) के तापमान पर भी उच्च तापीय स्थिरता प्रदर्शित करता है। और रिकॉर्डिंग घनत्व को 32% तक बढ़ाया जा सकता है, क्योंकि झूलने वाले संचार एक दूसरे के बेहद करीब स्थित हो सकते हैं। एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता किसी भी समय (न केवल एक नमूना बनाते समय) झूलने वाले बांड बनाने या हटाने की क्षमता थी, जिससे जानकारी को अधिलेखित करना संभव हो गया। हालांकि, यह कथन अब तक एक सिद्धांत बना हुआ है, क्योंकि इस तरह की प्रक्रियाएं माइक्रोस्कोप सुई को नुकसान से जुड़ी हैं।

प्रयोग के परिणाम

हाइड्रोजन लिथोग्राफी

हाइड्रोजन लिथोग्राफी के संचालन में, अविश्वसनीय सटीकता महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, चयनित क्षेत्र में प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु की स्थिति स्पष्ट रूप से नमूना के माध्यम से सही ढंग से पारित करने के लिए सूक्ष्मदर्शी सुई के लिए जानी जानी चाहिए। थोड़ी सी गलती इस तथ्य को जन्म दे सकती है कि गलत परमाणु को हटा दिया जाएगा, और इससे नमूने की निष्क्रियता हो जाएगी।


चित्र संख्या 1

हाइड्रोजन परमाणुओं के स्थान के बारे में जानकारी के अलावा, अन्य परमाणुओं की स्थिति के बारे में जानना भी आवश्यक है, ताकि आपको लिथोग्राफी प्रक्रियाओं के बाद हर बार स्कैन को दोहराना न पड़े।

छवि 1 ए सी (100) -2x1 की सतह का एक स्नैपशॉट दिखाता है। हम इस सतह की विशिष्ट आवधिकता देख सकते हैं। यह वह है जो फूरियर विश्लेषण का उपयोग करके एकल छवि का उपयोग करके सभी हाइड्रोजन परमाणुओं (छवियों 1 बी-एफ ) की स्थिति निर्धारित करना संभव बनाता है।

संपूर्ण फूरियर विश्लेषण प्रक्रिया को स्पष्ट रूप से समूह नंबर 1 से छवियों में दिखाया गया है। हाइड्रोजन परमाणुओं का पता लगाने के लिए, हमने आकार 10x10 और 40x40 एनएम ^{2 की} छवियों का उपयोग किया।

सतह का "नक्शा" तैयार करने के बाद, वांछित पैटर्न को झंझरी पर बनाया जाता है, जिसके साथ माइक्रोस्कोप सुई गुजरती है। जब सुई वांछित बिंदु तक पहुंचती है, तो आवश्यक हाइड्रोजन परमाणुओं को सफलतापूर्वक निकालने के लिए 1.8 से 3.0 वी तक वोल्टेज दालों को 20 एमएस पर स्विच किया जाता है। हटाने के पूरा होने पर, वोल्टेज बंद कर दिया जाता है।


चित्र संख्या 2

छवियाँ 2 ए , 2 बी, और 2 डी झूलने वाले बांड संरचनाओं को बनाने की प्रक्रिया को दर्शाते हैं (परिणाम 2e )। और 2 एस पर - लिथोग्राफी त्रुटियों को ठीक करने के लिए हाइड्रोजन की पुनरावृत्ति।

चूंकि तापमान बहाव * और रेंगना * उच्च तापमान पर होने लगता है, त्रुटियों के लिए, एसटीएम ने केवल 4.5 K के तापमान पर काम किया। इन स्थितियों के तहत, प्रक्रियाओं को नियंत्रित करना आसान है, और एसटीएम को थोड़े समय के बाद स्थिर किया जा सकता है।

तापमान बहाव * - परिवेश के तापमान के प्रभाव में विद्युत मापदंडों में बदलाव।

रेंगना * निरंतर भार या यांत्रिक तनाव के कारण एक ठोस के विरूपण की एक धीमी प्रक्रिया है। इस मामले में, यह एक थर्मल प्रभाव है।

यदि ऐसा करना संभव नहीं है, या यदि परिवेश का तापमान 4.5 K से ऊपर है, तो त्रुटियों को रोकने की एक अलग विधि का उपयोग किया जाता है। शुरू करने के लिए, एक नियंत्रण छवि (10x10 एनएम ² ) उस के बगल में ले जाया जाता है जिसके साथ एसएमटी काम करेगा। एक निश्चित समय के बाद, लिथोग्राफी प्रक्रिया बंद हो जाती है और उपचारित क्षेत्र का दूसरा शॉट लिया जाता है। एक नियंत्रण छवि के साथ तुलना यह निर्धारित करने के लिए की जाती है कि बहाव या रेंगने के कारण दिए गए पैटर्न से कोई विचलन हुआ या नहीं। यदि हां, तो दोषों की भरपाई के लिए पैटर्न को समायोजित किया जाता है।

शोधकर्ताओं ने लिथोग्राफी के परिणामों को एक समान सुधार के साथ और इसके साथ परीक्षण किया। पहले मामले में, सटीकता केवल 35% थी, दूसरे में - 85%, जो कि एक परिणाम है, क्योंकि शेष त्रुटियों को हाइड्रोजन के उत्पीड़न द्वारा ठीक किया जा सकता है।

हाइड्रोजन की पुनरावृत्ति

जैसा कि पहले कहा गया था, नमूने की सतह पर त्रुटियों को दूर करने के लिए, अंत में हाइड्रोजन परमाणु के साथ सिलिकॉन सुइयों का उपयोग करके हाइड्रोजन पुनरावृत्ति का प्रदर्शन किया गया था।

एसटीएम सुई नमूना के एक निश्चित हिस्से की सतह पर पहुंचती है और सिलिकॉन परमाणु को "हुक" करती है, जो आवश्यक हाइड्रोजन प्रत्यावर्तन संरचना के गठन की अनुमति देती है। जब सुई को हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ जोड़ा जाता है, तो माइक्रोस्कोप छवियों में अंतर दिखाई देता है। प्रक्रिया के लिए तैयार सुई को 1.4 वी के नमूने वोल्टेज पर एक निश्चित झूलने वाले बंधन और 50 पीए (पिकोएम्पियर, 1 पीए = 10 ए ¹² ) की वर्तमान ताकत पर रखा जाता है। इसके अलावा, प्रतिक्रिया नियंत्रण बंद कर दिया जाता है, और वोल्टेज 100 mV - 1.0 V की सीमा से एक संकेतक में बदल जाता है। टनलिंग करंट के पंजीकरण के दौरान, माइक्रोस्कोप सुई 500-800 pm (picometer, 1 pm: ^10-−12 m) द्वारा नमूने की ओर बढ़ती है। प्रक्रिया पूरी होने पर, सुई अपनी मूल स्थिति में लौट आती है, वोल्टेज 1.4 V पर बहाल हो जाता है, और प्रतिक्रिया नियंत्रण चालू होता है।

सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि इस पूरे जटिल और आयोजित प्रक्रिया को एक बटन के क्लिक के साथ लॉन्च किया जाता है, यह स्वचालित रूप से चलता है और केवल 1 सेकंड लेता है।

हमने संक्षेप में खुद को अयोग्य प्रक्रियाओं से परिचित किया है, इसलिए, हम सबसे महत्वपूर्ण और दिलचस्प पर आगे बढ़ सकते हैं।

परमाणु स्मृति

इसलिए, हाइड्रोजन लिथोग्राफी और हाइड्रोजन प्रत्यावर्तन का उपयोग करते हुए, परमाणु-आयामी स्मृति के 2 कार्यशील नमूने बनाए गए थे।

1 बिट को चार जालीदार दीवारों द्वारा रेखांकित किया गया था, जिससे आसन्न लटकने वाले बॉन्ड के बीच 1 परमाणु का एक बफर स्थापित हो गया। इसे छवि 1 ए में देखा जा सकता है।


छवि 1 ए

हाइड्रोजन-पास सी (100) -2x1 सतह के आदर्श ज्यामिति के कारण, यह व्यवस्था बहुत उच्च घनत्व प्राप्त करने के लिए संभव बनाती है - 1.70 बिट / एनएम ² ।

नमूना (ए) - वर्णमाला



ऊपर दी गई छवि अंग्रेजी वर्णमाला के प्रत्येक अक्षर के द्विआधारी ASCII प्रतिनिधित्व को क्रमिक रूप से एन्कोडिंग के लिए 8-बिट मेमोरी दिखाती है, जो पिछले पत्र को हर बार ओवरराइट करती है। झूलने की आवश्यक संख्या के आधार पर, 1 पत्र लिखने में 10 से 120 सेकंड का समय लगा। पत्र लिखने में सबसे अधिक समय लेने वाली प्रक्रिया हाइड्रोजन की पुनरावृत्ति है, क्योंकि यह माइक्रोस्कोप सुई की नोक पर मुक्त हाइड्रोजन परमाणुओं की संख्या से सीमित है। यही है, सुई को हाइड्रोजन परमाणुओं को "फिर से भरना" करने के लिए कार्य क्षेत्र को छोड़ना चाहिए, और फिर प्रक्रिया जारी रखना चाहिए। हालांकि, शोधकर्ताओं के अनुसार, एक समान समस्या, ऐसी छोटी वस्तुओं के साथ काम करने पर ही उत्पन्न होती है। यदि संरचना में बड़ी संख्या में झूलने वाले बंधन हैं, तो सुई प्रक्रिया में परमाणुओं के साथ आत्म-नवीनीकरण करेगी। प्रक्रिया को गति देने का एक और तरीका कुछ सामग्री का उपयोग करके सुई को स्वयं बनाना है। उदाहरण के लिए, प्लैटिनम एक बार में लगभग 1000 हाइड्रोजन परमाणु धारण करने में सक्षम है।

नमूना (बी) - ध्वनि



दूसरा नमूना पहले की तुलना में बड़ा है, यह एक ही बिट घनत्व के साथ 192-बिट मेमोरी है, जिस पर मारियो गेम के मुख्य राग का एक सरलीकृत संस्करण दर्ज किया गया है। संरचना में 62 झूलने वाले बंधन हैं, और इसे बनाने में 250 सेकंड का समय लगा। यह राग एसटीएम का उपयोग और छवि का उपयोग करके दोनों को पुन: प्रस्तुत किया जा सकता है। आप एक लघु वीडियो डाउनलोड करके इसे सुन सकते हैं, जो यह भी दर्शाता है कि किस नोट के लिए कौन से लटकते कनेक्शन जिम्मेदार हैं।

अध्ययन के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं वैज्ञानिकों की रिपोर्ट की अत्यधिक अनुशंसा करता हूं, जिसमें माप के तरीकों और स्वयं प्रयोगों का विवरण भी वर्णित है।

उपसंहार

इस अध्ययन से पता चला है कि काम करने वाली परमाणु मेमोरी बनाना बिल्कुल वास्तविक है। उसी समय, सस्ती उपकरणों और स्पष्ट तकनीकों का उपयोग किया गया था। हाइड्रोजन लिथोग्राफी और प्रत्यावर्तन की विशेष विशेषताओं को न केवल सिलिकॉन के साथ उपयोग करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, बल्कि अन्य पदार्थों के साथ भी, उदाहरण के लिए जर्मेनियम या हीरा।

यद्यपि ऐसी तकनीक अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, लेकिन, जैसा कि हम जानते हैं, वर्तमान में प्रचलित सभी प्रौद्योगिकियां एक समान स्थिति में एक बार थीं। किसी भी प्रौद्योगिकी या उपकरण के कार्यान्वयन के लिए न केवल वैज्ञानिक ज्ञान, दृढ़ता, समय, बड़ी संख्या में प्रयोगों के व्यावहारिक उपयोग की आवश्यकता होती है, बल्कि थोड़ी कल्पना भी होती है। वीडियो में कोई आश्चर्य नहीं श्री Feynman ने कहा:

मैं इसे (विज्ञान के संबंध में) गंभीरता से नहीं लेना चाहता। मेरा मानना ​​है कि हमें मस्ती (मस्ती) करनी चाहिए और चिंता करना बंद कर देना चाहिए।

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