IBM mencatat sedikit informasi dalam satu atom

Magnet terkecil di dunia, 2017. Foto: IBM

Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh tim dari IBM Almaden Research Center dan Sekolah Politeknik Federal di Lausanne telah mendekati batas absolut dari pendekatan klasik untuk menyimpan informasi di media fisik. Para ilmuwan menciptakan magnet terkecil di dunia pada satu atom dan menulis 1 bit data di sana. Untuk memahami: pada HDD paling modern, sekitar 100.000 atom digunakan untuk merekam satu bit.

Menulis dan membaca informasi di tingkat atom membuka peluang luar biasa untuk membuat drive yang lebih kecil dan kapasitas yang lebih besar.

Sampai saat ini, gugus 3-12 atom telah menjadi batas maksimum bit magnetik yang dapat dialamatkan. Pada saat yang sama, periode panjang relaksasi magnetik telah terbukti untuk atom lantanida individu dalam magnet molekul, lantanida dalam kristal, dan baru-baru ini dalam atom holmium (Ho) pada substrat isolasi magnesium oksida (MgO).

Lantanida adalah keluarga 15 logam tanah jarang dengan nomor atom 57-71 (dari lantanum hingga lutetium). Dalam semua lantanida dari cerium ke ytterbium, subkulit 4f diisi. Elektron 4f yang tidak berpasangan memberikan beberapa logam ini dengan sifat magnetik unik (misalnya, dalam neodymium).

Jadi, sebagai hasil dari percobaan baru-baru ini, menjadi jelas bahwa atom lantanida individu mampu mempertahankan keadaan magnetis untuk waktu yang lama. Hasil ini menunjukkan jalur yang jelas untuk percobaan lebih lanjut, yang akan memungkinkan kita untuk memasukkan penyimpanan informasi yang sebenarnya di tingkat atom. Hanya ada satu masalah teknologi - bagaimana mendapatkan akses ke pusat-pusat magnetik atom individu, yaitu, bagaimana dalam praktiknya membaca keadaan dengan cara yang andal dan akurat?

Sekarang para peneliti dari IBM Almaden Research Center telah dapat menyelesaikan masalah ini . Mereka menemukan cara untuk menarik atom-atom individu dan membuktikan bahwa keadaan magnet itu bertahan lama.

Informasi direkam oleh pulsa listrik menggunakan mikroskop tunneling pemindaian. Setiap pulsa menukar kutub magnet utara dan selatan pada atom, yang sesuai dengan nilai 0 dan 1.


Christopher Lutz dari IBM Research menggunakan IBM Scanning Tunneling Microscope untuk Hadiah Nobel untuk menulis data ke magnet atom-tunggal

Keadaan atom holmium dibaca menggunakan efek magnetoresistance terowongan . Pada jarak sekitar 1 nm, sebuah atom besi (Fe) ditempatkan di sebelah atom holmium, yang dengannya resonansi atom tunggal dari putaran elektron terjadi ( resonansi paramagnetik elektron karena spin elektron). Yaitu, atom besi dapat mendeteksi keadaan magnetik atom holmium.


Pengaturan eksperimental dan mengganti keadaan magnet atom holmium dengan magnetometer lokal terdekat dari atom besi

IBM berbicara tentang sensor atom besi setahun yang lalu . Ini adalah perwakilan dari kelas sensor baru yang diciptakan IBM pada tahun 2015 - yang disebut sensor spin resonansi elektron (sensor ESR). Sekarang sudah jelas mengapa perusahaan membutuhkan teknologi ini. Prinsip pengoperasian sensor menyerupai prinsip pencitraan resonansi magnetik, hanya di sini diterapkan pada atom individu. Intinya adalah bahwa ketika frekuensi dan intensitas medan magnet mencapai nilai tertentu, elektron tidak berpasangan dalam atom holmium keluar dari kesetimbangan termodinamika. Lonjakan tajam ini (lihat grafik di bawah) terdeteksi oleh sensor ESR. Bergantung pada kemungkinan status magnetik holmium, ledakan dapat terjadi pada salah satu frekuensi yang mungkin.



Menggunakan atom besi (sensor ESR), menjadi mungkin untuk membaca keadaan magnetik atom holmium, yaitu, untuk mengenali server dan kutub selatan atom holmium. Karena kami memiliki cara untuk mengubah keadaan ini dengan pulsa listrik melalui mikroskop tunneling pemindaian, kami mendapatkan sistem yang berfungsi penuh untuk merekam dan membaca informasi digital. Dua kemungkinan keadaan medan magnet atom holmium sesuai dengan nilai 0 dan 1.

Dalam percobaan IBM, terbukti bahwa satu sensor ESR dapat berhasil membaca data dari dua atom holmium.



Artikel ilmiah ini diterbitkan dalam jurnal Nature pada 8 Maret 2017 (doi: 10.1038 / nature21371).

Menariknya, jika 1 bit sesuai dengan 1 atom, maka informasi secara literal dapat diukur berdasarkan beratnya, yaitu dalam gram. Misalnya, satu gram holmium mengandung 3,65 × 10 ²¹ atom (berat atom holmium adalah 164,93032 g / mol, bilangan Avogadro adalah 6,02214179 × 10 ²³ ), dan sekitar 3,65 zettabit informasi diperoleh.

Jadi, 1 gram drive menyimpan 456 exabytes data.

Dr. Lutz tidak percaya bahwa atom holmium akan menggantikan perangkat penyimpanan rumah dalam waktu dekat, karena dengan begitu Anda perlu memasang mikroskop terowongan pemindaian di rumah yang bekerja pada 4 K sehingga atom dengan informasi yang direkam tidak lari. Di perangkat seluler, akan bermasalah untuk membuat kondisi seperti itu.

Namun demikian, fisikawan optimis tentang prospek sensor ESR monatomik, yang kemampuannya sangat menakjubkan.