A IBM registrou um único bit de informação em um átomo

O menor ímã do mundo, 2017. Foto: IBM

Uma equipe internacional liderada por equipes do IBM Almaden Research Center e da Federal Polytechnic School em Lausanne chegou perto do limite absoluto da abordagem clássica para armazenar informações na mídia física. Os cientistas criaram o menor ímã do mundo em um átomo e escreveram 1 bit de dados lá. Para entender: nos HDDs mais modernos, aproximadamente 100.000 átomos são usados ​​para gravar um bit.

Escrever e ler informações no nível atômico abre oportunidades incríveis para a criação de unidades menores e capacidades maiores.

Até o momento, grupos de 3 a 12 átomos têm sido o limite máximo de bits magnéticos biestáveis ​​endereçáveis. Ao mesmo tempo, foram provados longos períodos de relaxamento magnético para átomos individuais de lantanídeo em ímãs moleculares, lantanídeos em cristais e, recentemente, em átomos de hólmio (Ho) em um substrato isolante de óxido de magnésio (MgO).

Os lantanídeos são uma família de 15 metais de terras raras com números atômicos 57-71 (do lantânio ao lutécio). Em todos os lantanídeos, de cério a itérbio, o subfundo 4f é preenchido. Os elétrons 4f não pareados conferem a alguns desses metais propriedades magnéticas únicas (por exemplo, em neodímio).

Assim, como resultado de experiências recentes, ficou claro que átomos individuais de lantanídeos são capazes de manter um estado magnético por um longo tempo. Esses resultados indicaram um caminho claro para novas experiências, o que nos permitirá inserir o armazenamento real de informações no nível atômico. Havia apenas um problema tecnológico - como obter acesso aos centros magnéticos individuais de átomos, ou seja, como, na prática, ler o estado de maneira confiável e precisa?

Agora, os pesquisadores do IBM Almaden Research Center conseguiram resolver esse problema . Eles encontraram uma maneira de magnetizar átomos individuais e provaram que o estado magnetizado persiste por um longo tempo.

As informações foram registradas por pulsos elétricos usando um microscópio de varredura por tunelamento. Cada pulso troca os pólos magnéticos norte e sul do átomo, o que corresponde aos valores 0 e 1.


O Dr. Christopher Lutz, da IBM Research, usa o Microscópio de Túnel de Digitalização da IBM para o Prêmio Nobel para gravar dados em um ímã de átomo único

O estado dos átomos de hólmio foi lido usando o efeito da magnetoresistência do túnel . A uma distância de cerca de 1 nm, um átomo de ferro (Fe) é colocado próximo ao átomo de hólmio, com o qual ocorre uma ressonância de átomo única da rotação do elétron ( ressonância paramagnética do elétron devido à rotação dos elétrons). Ou seja, um átomo de ferro pode detectar o estado magnético de um átomo de hólmio.


Configuração experimental e comutação do estado magnético de um átomo de hólmio com um magnetômetro local próximo de um átomo de ferro

A IBM falou sobre o sensor de átomo de ferro há um ano . Este é um representante de uma nova classe de sensores que a IBM inventou em 2015 - os chamados sensores de ressonância de rotação eletrônica (sensores ESR). Agora está claro por que a empresa precisava dessa tecnologia. O princípio de operação do sensor se assemelha ao princípio da ressonância magnética, somente aqui é aplicado a átomos individuais. O ponto é que, quando a frequência e a intensidade do campo magnético atingem certos valores, o elétron não emparelhado no átomo de hólmio sai do equilíbrio termodinâmico. Este aumento acentuado (veja o gráfico abaixo) é detectado pelo sensor ESR. Dependendo dos possíveis estados magnéticos do hólmio, uma explosão pode ocorrer em uma das freqüências possíveis.



Usando o átomo de ferro (sensor ESR), é possível ler o estado magnético do átomo de hólmio, ou seja, reconhecer o servidor e os pólos sul dos átomos de hólmio. Como temos uma maneira de mudar esse estado por pulsos elétricos através de um microscópio de varredura por tunelamento, obtemos um sistema totalmente funcional para registrar e ler informações digitais. Dois estados possíveis do campo magnético de um átomo de hólmio correspondem aos valores 0 e 1.

Em um experimento da IBM, foi provado que um sensor ESR pode ler com sucesso dados de dois átomos de hólmio.



O artigo científico foi publicado na revista Nature em 8 de março de 2017 (doi: 10.1038 / nature21371).

Curiosamente, se 1 bit corresponde a 1 átomo, então a informação pode ser literalmente medida em peso, ou seja, em gramas. Por exemplo, um grama de hólmio contém 3,65 × 10 ²¹ átomos (o peso atômico do hólmio é 164,93032 g / mol, o número Avogadro é 6,02214179 × 10 ²³ ) e são obtidos aproximadamente 3,65 zettabytes de informações.

Assim, 1 grama da unidade armazena 456 exabytes de dados.

O Dr. Lutz não acredita que os átomos de hólmio substituam os dispositivos de armazenamento doméstico em um futuro próximo, pois você precisará instalar um microscópio de varredura em túnel em casa que funcione a 4 K, para que os átomos com informações gravadas não fuja. Em dispositivos móveis, será problemático criar essas condições.

No entanto, o físico está otimista sobre as perspectivas de sensores monostáticos de ESR, cujas capacidades são realmente surpreendentes.