Memória atômica: alfabeto de 8 bits e melodia de 192 bits de Mario

Do ponto de vista da ciência, nosso belo mundo ao nosso redor é um fluxo interminável de dados. Cada tweet, cada comentário em um vídeo do YouTube, correspondência com parentes por meio de mensagens instantâneas, filmes, jogos, livros digitais etc. etc. Tudo isso forma o chamado campo de informação da Terra. A concentração de dados nele cresce a cada ano. Assim, até 2025, a quantidade total de dados no mundo será de 163 zettabytes (de acordo com a forbes ). Por exemplo, eu tenho uma unidade externa com capacidade de 1 TB, o que, para os padrões modernos, não é tanto. 163 zetabytes é equivalente a 163 bilhões dos meus HDDs. A área desse grupo de transportadoras seria de aproximadamente 1,47 Tm ² (1 Tm = 10 ¹² m), sem mencionar a massa de 26.080.000 toneladas.

Todos esses números são engraçados, mas existe o problema de armazenar uma grande quantidade de dados, e muitos cientistas do mundo estão tentando resolvê-lo. Nossos heróis hoje foram capazes de melhorar sua própria invenção usando a tecnologia de memória atômica. Como eles perceberam isso e em quanto tempo essa tecnologia será disponibilizada ao público, aprenderemos com o relatório deles. Vamos lá

Base de estudo

O interesse vivo de muitos cientistas é a pesquisa e o desenvolvimento de dispositivos atômicos. A capacidade de manipular átomos levou muitos a expandir sua missão. Portanto, o conceito de “memória atômica” apareceu, em outras palavras, é a capacidade de escrever dados no próprio átomo. Tais idéias não são novas. Em 1959, o físico Richard Feynman disse que todos os livros escritos durante a vida de uma pessoa poderiam ser colocados em um cubo de 0,1 mm de largura se cada átomo contivesse pelo menos 1 bit de informação. Esta declaração verdadeiramente científica foi realmente uma visão do futuro que temos agora.


Não pude adicionar um vídeo em que o Sr. Feynman fale de maneira muito interessante, clara e animada sobre algumas coisas interessantes sobre átomos

No entanto, é extremamente difícil implementar dispositivos do tamanho de átomos fora dos laboratórios, devido à sua instabilidade à temperatura ambiente e ao isolamento eletrônico dos substratos de suporte. A litografia do hidrogênio veio em socorro, isto é, a remoção de átomos de hidrogênio da superfície do silício passivada por hidrogênio * . Uma técnica semelhante ajuda a se livrar das desvantagens descritas acima dos dispositivos atômicos sem a necessidade de materiais específicos. Até recentemente, ainda era impossível criar grandes sistemas atômicos usando litografia de hidrogênio que funcionariam sem erros.

Passivação * - a formação de um filme fino com alta resistência ao objeto.

Para a litografia de hidrogênio, você pode usar um microscópio de varredura por tunelamento (STM) * , com o qual é possível destruir certos compostos Si - H (silício-hidrogênio) por meio de dispersão inelástica de elétrons * de elétrons de baixa energia, expondo assim a ligação oscilante * do átomo de silício subjacente.


ESM esquemático

A dispersão inelástica * é uma colisão de partículas, que leva a uma mudança em seu estado, a formação de novas partículas, a transformação em outras ou o nascimento de novas partículas.

Uma ligação pendente * é uma concha não preenchida de um átomo em uma molécula ou sólido.

As ligações oscilantes dos átomos de silício tornaram-se um componente importante do estudo porque são, como um tipo, pontos quânticos atômicos * , cujo estado eletrônico permanece isolado dentro do intervalo de banda * do silício.

Um ponto quântico * (ou "átomo artificial") é uma partícula semicondutora. Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, suas propriedades ópticas e eletrônicas são muito diferentes daquelas de partículas maiores.

A zona proibida * é a faixa de valores de energia que um elétron não pode possuir em um corpo cristalino ideal.

Outra característica importante das ligações oscilantes é sua estabilidade a temperaturas de cerca de 500 K (226,85 ° C).

É claro que a litografia de hidrogênio oculta um caminho para resolver os problemas de dispositivos atômicos, incluindo a memória atômica. Mas, para a implementação prática de tais dispositivos, é necessário atingir um nível de 0% de erros, o que é extremamente difícil. Portanto, a atenção dos cientistas visava aumentar a precisão atômica, porque a remoção errônea de pelo menos um átomo de hidrogênio pode levar à inoperabilidade de todo o sistema. Um novo método para corrigir erros na litografia de hidrogênio usando um microscópio de força atômica criogênica (AFM) * , quando ligações pendentes individuais eram repassivadas por meio de uma agulha de microscópio revestida com hidrogênio, poderia resolver um problema semelhante. E, novamente, os cientistas se deparam com um problema. Desta vez é a velocidade do procedimento. Apesar da alta eficiência dos erros de litografia no nivelamento, o processo leva 10 segundos para 1 conexão pendente. Além disso, são adicionados atrasos devido à necessidade de usar dois feedbacks individuais e revestir novamente a agulha com hidrogênio após cada procedimento. Em outras palavras, embora a técnica mostre excelentes resultados, leva muito tempo.

AFM * - um microscópio que permite determinar a topografia da superfície com uma resolução até atômica.


Esquema de operação AFM

Detalhes de criação de amostra

A amostra foi criada pelo STM a uma temperatura de 4,5 K. No processo de litografia, foram utilizados pulsos de tensão controlada. E durante a repassivação, a agulha foi movida em linha reta para a amostra usando uma pequena tensão de polarização. Nos dois processos, o controle de feedback do STM foi suspenso, usando as alterações na corrente de tunelamento como o único sinal, no qual foram encontradas duas assinaturas exclusivas para facilitar o repassamento bem-sucedido do hidrogênio. Se essas assinaturas agirem como sinais de controle, a correção automática de erros será mais rápida e funcionará por muito mais tempo.

Assim, litografia e repassivação, trabalhando em conjunto, permitem dizer com confiança sobre a possibilidade de criar um dispositivo de armazenamento de dados de tamanho atômico de tamanho real. Como demonstração, foram criadas 2 amostras: 8 bits e 192 bits.

Um componente importante do experimento descrito foi também estudos sobre Cu passivado por cloro (100), quando um kilobyte de memória é criado em vagas na superfície sem a necessidade de manipulação vertical de átomos. Essa memória pode operar a uma temperatura de 77 K (-195,79 ° C) e permanecer estável por até 44 horas. Foi possível superar esse limite de temperatura precisamente devido ao uso de ligações oscilantes estruturadas, que demonstram alta estabilidade térmica mesmo a uma temperatura de 477 K (203,85 ° C). E a densidade de gravação pode ser aumentada em 32%, pois as comunicações pendentes podem ser localizadas extremamente próximas umas das outras. Outro recurso importante foi a capacidade, a qualquer momento (não apenas ao criar uma amostra), de criar ou excluir títulos pendentes, possibilitando a substituição de informações. No entanto, essa afirmação ainda é uma teoria, uma vez que tais processos estão associados a danos na agulha do microscópio.

Resultados da Experiência

Litografia de hidrogênio

Na condução da litografia de hidrogênio, uma precisão incrível é importante. Primeiro de tudo, a posição de cada átomo de hidrogênio na região selecionada deve ser inequivocamente conhecida para que a agulha do microscópio passe através da amostra corretamente. O menor erro pode levar ao fato de que o átomo errado será removido e isso levará à inoperabilidade da amostra.


Imagem Nº 1

Além de informações sobre a localização dos átomos de hidrogênio, também é necessário saber sobre a posição de outros átomos, para que você não precise repetir a varredura todas as vezes após os procedimentos de litografia.

A imagem 1a mostra um instantâneo da superfície do Si (100) -2x1. Podemos ver a periodicidade distinta dessa superfície. É ela quem torna possível determinar a posição de todos os átomos de hidrogênio (imagens 1b-f ) usando uma única imagem usando a análise de Fourier.

Todo o processo de análise de Fourier é claramente demonstrado nas imagens do grupo nº 1. Para detectar átomos de hidrogênio, foram utilizadas imagens do tamanho 10x10 e 40x40 nm ² .

Após elaborar um “mapa” da superfície, o padrão desejado é criado na grade, ao longo do qual a agulha do microscópio passará. Quando a agulha se aproxima do ponto desejado, pulsos de tensão de 1,8 a 3,0 V são ativados por 20 ms para remover com êxito os átomos de hidrogênio necessários. Após a remoção, a tensão é desligada.


Imagem No. 2

As imagens 2a , 2b e 2d mostram o processo de criação de estruturas de ligação pendentes (resultam em 2e ). E em 2s - repassivação de hidrogênio para corrigir erros de litografia.

Como o desvio de temperatura * e a fluência * começam a ocorrer em temperaturas mais altas, levando a erros, o STM trabalhava a uma temperatura de apenas 4,5 K. Nessas condições, os processos são fáceis de controlar e o STM pode ser estabilizado após um curto período de tempo.

Desvio de temperatura * - uma alteração nos parâmetros elétricos sob a influência da temperatura ambiente.

A fluência * é um processo lento de deformação de um sólido devido a carga constante ou tensão mecânica. Nesse caso, esse é um efeito térmico.

Se não for possível fazer isso, ou se a temperatura ambiente estiver acima de 4,5 K, será utilizado um método diferente de prevenção de erros. Para começar, é tirada uma imagem de controle (10x10 nm ² ) ao lado da imagem com a qual o SMT funcionará. Após um certo tempo, o processo litográfico para e uma segunda foto da área tratada é tirada. É feita uma comparação com uma imagem de controle para determinar se houve algum desvio do padrão fornecido devido à deriva ou fluência. Nesse caso, o padrão é ajustado para compensar falhas.

Os pesquisadores testaram os resultados da litografia sem uma correção semelhante e com ela. No primeiro caso, a precisão foi de apenas 35%, no segundo - 85%, o que é um resultado sensato, já que os erros restantes podem ser corrigidos pela repassivação do hidrogênio.

Repassivação de hidrogênio

Como mencionado anteriormente, para remover erros na superfície da amostra, a repassivação de hidrogênio foi realizada usando agulhas de silício com um átomo de hidrogênio no final.

A agulha STM se aproxima da superfície de uma determinada porção da amostra e "prende" o átomo de silício, o que permite a formação da necessária estrutura de repassivação de hidrogênio. Quando a agulha é combinada com átomos de hidrogênio, as diferenças nas imagens do microscópio se tornam visíveis. Uma agulha preparada para o procedimento é colocada sobre uma certa ligação oscilante a uma tensão de amostra de 1,4 V e uma força de corrente de 50 pA (picoampere, 1 pA = ^10-12 A). Além disso, o controle de feedback é desativado e a tensão muda para um indicador na faixa de 100 mV - 1,0 V. Durante o registro da corrente de tunelamento, a agulha do microscópio se move em direção à amostra entre 500-800 pm (picômetro, 13:00 = ^10-12 m). Após a conclusão do processo, a agulha retorna à sua posição original, a tensão é restaurada em 1,4 V e o controle de feedback é ativado.

O mais surpreendente é que todo esse processo complexo e conduzido é iniciado com o clique de um botão, é executado automaticamente e leva apenas 1 segundo.

Nós nos familiarizamos brevemente com os procedimentos inalienáveis, portanto, podemos passar para o mais importante e interessante.

Memória atômica

Assim, usando litografia de hidrogênio e repassivação de hidrogênio, foram criadas 2 amostras de trabalho de memória atômica-dimensional.

1 bit foi delineado por quatro paredes de treliça, estabelecendo um buffer de 1 átomo entre as ligações pendentes adjacentes. Isso pode ser visto na imagem 1a .


Imagem 1a

Devido à geometria ideal da superfície Si (100) -2x1 passivada por hidrogênio, esse arranjo permite obter uma densidade de bits muito alta - 1,70 bit / nm ² .

Amostra (a) - Alfabeto



A imagem acima mostra uma memória de 8 bits para codificar sequencialmente a representação ASCII binária de cada letra do alfabeto inglês, substituindo a letra anterior a cada vez. Foram necessários 10 a 120 segundos para escrever uma letra, dependendo do número necessário de gravatas penduradas. O processo mais demorado para escrever cartas é a repassivação de hidrogênio, uma vez que é limitado pelo número de átomos de hidrogênio livres na ponta da agulha do microscópio. Ou seja, a agulha deve deixar a área de trabalho para "reabastecer" os átomos de hidrogênio e, em seguida, continuar o processo. No entanto, um problema semelhante, segundo os pesquisadores, surge apenas quando se trabalha com objetos tão pequenos. Se a estrutura tiver um grande número de ligações pendentes, a agulha se renovará automaticamente com átomos no processo. Outra maneira de acelerar o processo é usar certos materiais para criar a própria agulha. Por exemplo, a platina é capaz de armazenar cerca de 1000 átomos de hidrogênio por vez.

Amostra (b) - som



O segundo exemplo é maior que o primeiro, é uma memória de 192 bits com a mesma densidade de bits, na qual é gravada uma versão simplificada da melodia principal do jogo Mario. A estrutura consiste em 62 ligações pendentes e levou 250 segundos para criá-la. Esta melodia pode ser reproduzida usando STM e usando a imagem. Você pode ouvi-lo baixando um vídeo curto, que também mostra qual conexão pendente é responsável por qual nota.

Para um conhecimento mais detalhado do estudo, recomendo vivamente o relatório dos cientistas, que também descreve os métodos de medição e os detalhes dos próprios experimentos.

Epílogo

Este estudo demonstrou que a criação de memória atômica funcional é absolutamente real. Ao mesmo tempo, dispositivos acessíveis e técnicas claras foram usadas. As características especiais da litografia e repassivação do hidrogênio podem ser adaptadas para uso não apenas com silício, mas também com outras substâncias, por exemplo, germânio ou diamante.

Embora essa tecnologia esteja em sua infância, mas, como sabemos, todas as tecnologias predominantes atualmente estavam em uma situação semelhante. A implementação de qualquer tecnologia ou dispositivo requer não apenas o uso prático de conhecimento científico, perseverança, tempo, um grande número de experimentos, mas também um pouco de imaginação. Não é de admirar que o Sr. Feynman no vídeo tenha dito:

Não quero levar isso a sério (em relação à ciência). Acredito que devemos nos divertir (nos divertir) e parar de nos preocupar.

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