Memori atom: alfabet 8-bit dan lagu 192-bit dari Mario

Dari sudut pandang sains, dunia kita yang indah di sekeliling kita adalah aliran data tanpa akhir. Setiap tweet, setiap komentar di bawah video YouTube, korespondensi dengan saudara melalui pesan instan, film, game, buku digital, dll. dll. Semua ini membentuk bidang informasi yang disebut Bumi. Konsentrasi data di dalamnya tumbuh setiap tahun. Jadi pada tahun 2025, jumlah total data di dunia akan menjadi 163 zettabytes (menurut forbes ). Sebagai contoh, saya memiliki drive eksternal dengan kapasitas 1 TB, yang menurut standar modern tidak begitu banyak. 163 zetabytes setara dengan 163 miliar HDD saya. Luas gugus pengangkut tersebut sekitar 1,47 Tm ² (1 Tm = 10 ¹² m), belum lagi massa 26.080.000 ton.

Ini semua angka lucu, tetapi masalah menyimpan sejumlah besar data ada, dan banyak ilmuwan di dunia berusaha menyelesaikannya. Pahlawan kita hari ini mampu meningkatkan penemuan mereka sendiri menggunakan teknologi memori atom. Bagaimana mereka menyadari hal ini dan seberapa cepat teknologi semacam itu akan tersedia untuk umum, kita akan belajar dari laporan mereka. Ayo pergi.

Dasar studi

Minat hidup banyak ilmuwan adalah penelitian dan pengembangan perangkat atom. Kemampuan untuk memanipulasi atom telah membuat banyak orang memperluas misi mereka. Jadi konsep "memori atom" muncul, dengan kata lain, itu adalah kemampuan untuk menulis data pada atom itu sendiri. Gagasan semacam itu bukanlah hal baru. Kembali pada tahun 1959, fisikawan Richard Feynman mengatakan bahwa semua buku yang ditulis selama kehidupan seseorang dapat ditempatkan dalam kubus selebar 0,1 mm jika masing-masing atom mengandung setidaknya 1 bit informasi. Pernyataan yang benar-benar ilmiah ini sebenarnya adalah visi masa depan yang kita miliki sekarang.


Saya tidak dapat menambahkan video di mana Pak Feynman sangat menarik, dengan jelas dan bersemangat berbicara tentang beberapa hal menarik tentang atom

Namun, sangat sulit untuk mengimplementasikan perangkat berukuran atom di luar laboratorium karena ketidakstabilannya pada suhu kamar dan isolasi elektronik dari substrat pendukung. Litografi hidrogen datang untuk menyelamatkan, yaitu, penghapusan atom hidrogen dari permukaan silikon hidrogen yang dipasivasi . Teknik serupa membantu menghilangkan kelemahan perangkat atom yang dijelaskan di atas tanpa membutuhkan bahan khusus. Sampai saat ini, masih tetap mustahil untuk membuat sistem atom besar menggunakan hidrogen litografi yang akan bekerja tanpa kesalahan.

Pasif * * - pembentukan film tipis dengan resistensi tinggi pada objek.

Untuk melakukan litografi hidrogen, Anda dapat menggunakan mikroskop tunneling pemindaian (STM) * , yang memungkinkan untuk menghancurkan senyawa Si - H (silikon-hidrogen) tertentu dengan cara hamburan elektron * inelastik berenergi rendah * dari elektron, dengan demikian memperlihatkan ikatan yang menggantung * dari atom silikon yang mendasarinya.


Skema STM

Hamburan tidak elastis * adalah tabrakan partikel, yang mengarah pada perubahan kondisi mereka, pembentukan partikel baru, transformasi menjadi partikel lain, atau kelahiran partikel baru.

Ikatan menjuntai * adalah kulit atom yang tidak terisi dalam molekul atau padatan.

Ikatan menjuntai atom silikon telah menjadi komponen penting dari penelitian ini karena mereka, sebagai jenis, titik kuantum atom * , yang keadaan elektroniknya tetap terisolasi di dalam celah pita * silikon.

Titik kuantum * (atau "atom buatan") adalah partikel semikonduktor. Karena ukurannya yang sangat kecil, sifat optik dan elektroniknya sangat berbeda dari partikel yang lebih besar.

Zona terlarang * adalah kisaran nilai energi yang tidak dapat dimiliki oleh elektron dalam benda kristal yang ideal.

Fitur penting lainnya dari ikatan terjuntai adalah stabilitasnya pada suhu sekitar 500 K (226,85 ° C).

Jelaslah bahwa litografi hidrogen menyembunyikan jalan untuk memecahkan masalah perangkat atom, termasuk memori atom. Tetapi untuk implementasi praktis dari perangkat tersebut, perlu untuk mencapai tingkat kesalahan 0%, yang sangat sulit. Oleh karena itu, perhatian para ilmuwan ditujukan untuk meningkatkan akurasi atom, karena penghilangan yang salah dari setidaknya satu atom hidrogen dapat menyebabkan tidak dapat berjalannya keseluruhan sistem. Metode baru untuk memperbaiki kesalahan dalam litografi hidrogen menggunakan mikroskop atom gaya kriogenik (AFM) kriogenik * , ketika masing-masing ikatan menjuntai ditanggulangi dengan menggunakan jarum mikroskop yang dilapisi dengan hidrogen, dapat memecahkan masalah yang sama. Dan lagi, para ilmuwan dihadapkan dengan masalah. Kali ini kecepatan prosedur. Meskipun efisiensi tinggi kesalahan litografi leveling, proses ini membutuhkan waktu 10 detik untuk 1 koneksi menggantung. Plus, penundaan ditambahkan karena kebutuhan untuk menggunakan dua umpan balik individu dan melapisi jarum dengan hidrogen setelah setiap prosedur. Dengan kata lain, meskipun teknik ini menunjukkan hasil yang sangat baik, dibutuhkan banyak waktu.

AFM * - mikroskop yang memungkinkan Anda menentukan topografi permukaan dengan resolusi hingga atom.


Skema operasi AFM

Detail contoh pembuatan

Sampel dibuat oleh STM pada suhu 4,5 K. Dalam proses litografi, pulsa tegangan terkontrol digunakan. Dan selama repassivation, jarum dipindahkan dalam garis lurus ke sampel menggunakan tegangan bias kecil. Untuk kedua proses, kontrol umpan balik STM ditangguhkan, menggunakan perubahan dalam arus tunneling sebagai satu-satunya sinyal, di mana 2 tanda tangan unik ditemukan untuk memfasilitasi keberhasilan hidrogen repassation. Jika tanda tangan ini bertindak sebagai sinyal kontrol, maka koreksi kesalahan otomatis lebih cepat dan bekerja lebih lama.

Dengan demikian, litografi dan repassivation, bekerja bersama, memungkinkan kami untuk mengatakan dengan keyakinan tentang kemungkinan menciptakan perangkat penyimpanan data berukuran atom yang lengkap. Sebagai demonstrasi, 2 sampel dibuat: 8 bit dan 192 bit.

Komponen penting dari percobaan yang dijelaskan ini adalah juga studi tentang Cu yang dipasifkan dengan klor (100), ketika satu kilobyte memori dibuat pada lowongan permukaan tanpa perlu manipulasi vertikal atom. Memori ini dapat beroperasi pada suhu 77 K (-195,79 ° C) dan tetap stabil hingga 44 jam. Dimungkinkan untuk mengatasi batas suhu ini secara tepat karena penggunaan ikatan penggantung terstruktur, yang menunjukkan stabilitas termal yang tinggi bahkan pada suhu 477 K (203,85 ° C). Dan kerapatan rekaman dapat ditingkatkan sebesar 32%, karena komunikasi yang menggantung dapat ditempatkan sangat dekat satu sama lain. Fitur penting lainnya adalah kemampuan setiap saat (tidak hanya saat membuat sampel) untuk membuat atau menghapus ikatan yang menggantung, sehingga memungkinkan untuk menimpa informasi. Namun, pernyataan ini sejauh ini tetap merupakan teori, karena proses tersebut terkait dengan kerusakan pada jarum mikroskop.

Hasil Eksperimen

Litografi hidrogen

Dalam melakukan litografi hidrogen, akurasi luar biasa penting. Pertama-tama, posisi masing-masing atom hidrogen di wilayah yang dipilih harus diketahui secara pasti agar jarum mikroskop melewati sampel dengan benar. Kesalahan sekecil apa pun dapat mengarah pada fakta bahwa atom yang salah akan dihilangkan, dan ini akan menyebabkan ketidakmampuan sampel.


Gambar No. 1

Selain informasi tentang lokasi atom hidrogen, Anda juga perlu mengetahui posisi atom lain, sehingga Anda tidak perlu mengulangi pemindaian setiap kali setelah prosedur litografi.

Gambar 1a menunjukkan potret permukaan Si (100) -2x1. Kita dapat melihat periodisitas yang berbeda dari permukaan ini. Dialah yang memungkinkan untuk menentukan posisi semua atom hidrogen (gambar 1b-f ) menggunakan gambar tunggal menggunakan analisis Fourier.

Seluruh proses analisis Fourier ditunjukkan dengan jelas dalam gambar dari grup No. 1. Untuk mendeteksi atom hidrogen, kami menggunakan gambar berukuran 10x10 dan 40x40 nm ² .

Setelah menyusun "peta" permukaan, pola yang diinginkan dibuat pada kisi, di mana jarum mikroskop akan lewat. Ketika jarum mendekati titik yang diinginkan, pulsa tegangan dari 1,8 ke 3,0 V dinyalakan selama 20 ms untuk berhasil menghilangkan atom hidrogen yang diperlukan. Setelah selesai melepas, tegangan dimatikan.


Gambar No. 2

Gambar 2a , 2b, dan 2d menunjukkan proses pembuatan struktur ikatan yang menggantung (menghasilkan 2e ). Dan pada 2s - repassivation hidrogen untuk memperbaiki kesalahan litografi.

Karena suhu melayang * dan merayap * mulai terjadi pada suhu yang lebih tinggi, menyebabkan kesalahan, STM bekerja pada suhu hanya 4,5 K. Dalam kondisi ini, prosesnya mudah dikendalikan, dan STM dapat distabilkan setelah waktu yang singkat.

Suhu melayang * - perubahan parameter listrik di bawah pengaruh suhu lingkungan.

Creep * adalah proses deformasi padatan yang lambat karena beban konstan atau tekanan mekanis. Dalam hal ini, ini adalah efek termal.

Jika tidak memungkinkan untuk melakukan ini, atau jika suhu sekitar di atas 4,5 K, maka metode yang berbeda untuk mencegah kesalahan digunakan. Untuk mulai dengan, gambar kontrol (10x10 nm ² ) diambil di sebelah gambar yang digunakan SMT. Setelah waktu tertentu, proses litografi berhenti dan pemotretan kedua dari area yang dirawat diambil. Perbandingan dibuat dengan gambar kontrol untuk menentukan apakah ada penyimpangan dari pola yang diberikan karena drift atau creep. Jika demikian, polanya disesuaikan untuk mengkompensasi kekurangan.

Para peneliti menguji hasil litografi tanpa koreksi yang sama dan dengan itu. Dalam kasus pertama, akurasinya hanya 35%, pada detik - 85%, yang merupakan hasil yang waras, karena kesalahan yang tersisa dapat diperbaiki dengan repassivation hidrogen.

Pengambilan hidrogen

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, untuk menghilangkan kesalahan pada permukaan sampel, repassivasi hidrogen dilakukan dengan menggunakan jarum silikon dengan atom hidrogen di ujungnya.

Jarum STM mendekati permukaan bagian tertentu dari sampel dan "mengaitkan" atom silikon, yang memungkinkan pembentukan struktur repasifikasi hidrogen yang diperlukan. Ketika jarum dikombinasikan dengan atom hidrogen, perbedaan dalam gambar mikroskop menjadi terlihat. Jarum yang disiapkan untuk prosedur ditempatkan di atas ikatan yang menjuntai pada tegangan sampel 1,4 V dan kekuatan arus 50 pA (picoampere, 1 pA = 10 ⁻¹² A). Selanjutnya, kontrol umpan balik dimatikan, dan tegangan berubah menjadi indikator dari kisaran 100 mV - 1.0 V. Selama pendaftaran arus tunneling, jarum mikroskop bergerak ke arah sampel pada 500-800 pm (pikometer, 1 siang = 10 ⁻¹² m). Setelah selesai proses, jarum kembali ke posisi semula, tegangan dikembalikan pada 1,4 V, dan kontrol umpan balik dihidupkan.

Hal yang paling menakjubkan adalah bahwa seluruh proses yang rumit dan dilakukan ini diluncurkan dengan mengklik tombol, ini berjalan secara otomatis dan hanya membutuhkan waktu 1 detik.

Kami secara singkat membiasakan diri dengan prosedur yang tidak dapat dicabut, oleh karena itu, kami dapat beralih ke prosedur yang paling penting dan menarik.

Memori atom

Jadi, dengan menggunakan litografi hidrogen dan repassivasi hidrogen, 2 sampel kerja memori dimensi-atom dibuat.

1 bit diuraikan oleh empat dinding kisi, mengatur penyangga 1 atom antara ikatan yang menggantung. Ini dapat dilihat pada gambar 1a .


Gambar 1a

Karena geometri ideal permukaan Si (100) -2x1 yang dipasivasi hidrogen, pengaturan ini memungkinkan untuk mendapatkan kerapatan bit yang sangat tinggi - 1,70 bit / nm ² .

Contoh (a) - Alfabet



Gambar di atas menunjukkan memori 8-bit untuk secara berurutan mengkode representasi biner ASCII dari setiap huruf alfabet Inggris, menimpa huruf sebelumnya setiap kali. Butuh 10 hingga 120 detik untuk menulis 1 huruf, tergantung pada jumlah ikatan yang diperlukan. Proses yang paling memakan waktu dalam menulis surat adalah repassivasi hidrogen, karena dibatasi oleh jumlah atom hidrogen bebas di ujung jarum mikroskop. Artinya, jarum harus meninggalkan area kerja untuk "mengisi" atom hidrogen, dan kemudian melanjutkan prosesnya. Namun, masalah serupa, menurut para peneliti, muncul hanya ketika bekerja dengan benda-benda kecil tersebut. Jika struktur memiliki sejumlah besar ikatan menjuntai, maka jarum akan memperbaharui diri dengan atom dalam proses. Cara lain untuk mempercepat proses ini adalah dengan menggunakan bahan-bahan tertentu untuk membuat jarum itu sendiri. Sebagai contoh, platinum mampu menahan sekitar 1000 atom hidrogen sekaligus.

Contoh (b) - suara



Sampel kedua lebih besar dari yang pertama, itu adalah memori 192-bit dengan kepadatan bit yang sama, di mana versi sederhana dari melodi utama dari permainan Mario direkam. Strukturnya terdiri dari 62 ikatan yang menjuntai, dan butuh 250 detik untuk membuatnya. Melodi ini dapat direproduksi baik menggunakan STM dan menggunakan gambar. Anda dapat mendengarkannya dengan mengunduh video pendek, yang juga menunjukkan koneksi mana yang bertanggung jawab atas not mana.

Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan penelitian ini, saya sangat merekomendasikan laporan para ilmuwan, yang juga menjelaskan metode pengukuran dan perincian eksperimen itu sendiri.

Epilog

Studi ini telah menunjukkan bahwa membuat memori atom yang bekerja benar-benar nyata. Pada saat yang sama, perangkat yang terjangkau dan teknik yang jelas digunakan. Karakteristik khusus dari litografi dan repasifikasi hidrogen dapat diadaptasi untuk digunakan tidak hanya dengan silikon, tetapi juga dengan bahan lain, misalnya germanium atau berlian.

Meskipun teknologi seperti itu masih dalam masa pertumbuhan, tetapi, seperti yang kita ketahui, semua teknologi saat ini lazim sekali dalam situasi yang sama. Implementasi teknologi atau perangkat apa pun tidak hanya membutuhkan penggunaan praktis dari pengetahuan ilmiah, ketekunan, waktu, sejumlah besar percobaan, tetapi juga sedikit imajinasi. Tidak heran Pak Feynman dalam video itu mengatakan:

Saya tidak ingin menganggapnya serius (menyangkut sains). Saya percaya bahwa kita harus bersenang-senang (bersenang-senang) dan berhenti khawatir.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?