从科学的角度来看，我们周围美丽的世界是无穷无尽的数据流。 每条推文，每条YouTube视频下的评论，通过即时通讯工具，电影，游戏，数字书籍等与亲戚的通信。 等 所有这些构成了地球的所谓信息领域。 数据的集中度每年都在增长。 因此，到2025年，世界上的数据总量将达到163 ZB（根据《
福布斯》 ）。 例如，我有一个容量为1 TB的外部驱动器，按照现代标准，这还不算什么。 163 ZB相当于我的HDD 1630亿。 这样一堆运输船的面积约为1.47 Tm
2 （1 Tm = 10
12 m），更不用说质量为26,080,000吨。
这些都是有趣的数字，但是存在存储大量数据的问题，世界上许多科学家都在试图解决它。 今天，我们的英雄们能够使用原子存储技术改进自己的发明。 他们是如何意识到这一点的，以及这种技术将在多久之前公开可用，我们将从他们的报告中学习。 走吧
学习基础
许多科学家的兴趣在于开发原子装置。 操纵原子的能力导致许多人扩大了他们的使命。 因此出现了“原子记忆”的概念，换句话说，就是在原子本身上写入数据的能力。 这样的想法并不新鲜。 早在1959年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）表示，如果每个原子包含至少1位信息，那么在一个人的一生中写的所有书都可以放在0.1毫米宽的立方体中。 这份真正的科幻陈述实际上是我们对未来的展望。
我无法添加一段视频，费曼先生非常有趣，清晰，生动地谈论有关原子的一些有趣事情但是，由于原子尺寸的设备在室温下不稳定并且与支撑基板发生电子隔离，因此在实验室外实施原子尺寸的设备极为困难。 氢光刻技术应运而生，即从硅的氢
钝化表面去除氢原子。 类似的技术有助于消除原子装置的上述缺点，而无需特定的材料。 直到最近，仍然仍然不可能使用氢光刻技术来制造大型原子系统而不会发生错误。
钝化* -在物体上形成高电阻薄膜。
要进行氢光刻，可以使用
扫描隧道显微镜（STM）* ，利用该电子可以通过电子的低能
非弹性电子
散射*破坏某些Si-H（硅氢）化合物，从而露出下面的硅原子的
悬挂键* 。
STM原理图非弹性散射*是粒子的碰撞，这会导致粒子状态发生变化，形成新粒子，转变为其他粒子或诞生新粒子。
悬挂键*是原子在分子或固体中的空壳。
硅原子的悬空键已成为研究的重要组成部分，因为它们作为一种原子量
子点* ，其电子状态在硅的
带隙*内保持隔离。
量子点*（或“人工原子”）是半导体粒子。 由于其极小的尺寸，其光学和电子特性与较大颗粒的光学和电子特性非常不同。
禁区*是电子在理想晶体中无法拥有的能量值范围。
悬挂键的另一个重要特征是它们在约500 K（226.85°C）的温度下的稳定性。
显然，氢光刻技术为解决包括原子记忆在内的原子器件问题提供了一条途径。 但是对于这样的设备的实际实施，必须达到0％的误差水平，这是非常困难的。 因此，科学家的注意力集中在提高原子精度上，因为错误地去除至少一个氢原子会导致整个系统无法运行。 一种新的使用低温
原子力显微镜（AFM）*纠正氢光刻错误的方法，当单个悬空键通过涂有氢的显微镜针重新钝化时，可以解决类似的问题。 再次，科学家面临一个问题。 这次是程序的速度。 尽管平整光刻错误的效率很高，但该过程需要10秒才能进行1个悬空连接。 另外，由于需要使用两个单独的反馈并在每次操作后用氢气重新涂覆针头，因此会增加延迟。 换句话说，尽管该技术显示出优异的效果，但仍需要大量时间。
AFM * -显微镜，可让您确定分辨率高达原子的表面形貌。
AFM操作方案
样本创建细节
通过STM在4.5 K的温度下创建样品。在光刻过程中，使用了受控的电压脉冲。 在重新钝化过程中，使用小的偏置电压将针沿直线移至样品。 对于这两个过程，都使用隧道电流的变化作为唯一信号来暂停STM反馈控制，在该信号中发现2个独特的特征有助于氢成功通过。 如果这些签名充当控制信号，则自动纠错速度更快，并且工作时间更长。
因此，光刻和再钝化的共同作用使我们充满信心地说出创建完整的原子尺寸数据存储设备的可能性。 作为演示，创建了2个样本：8位和192位。
当不需要垂直操纵原子的表面空位上产生了千字节的内存时，所描述的实验的一个重要组成部分就是氯钝化Cu（100）的研究。 该内存可以在77 K（−195.79°C）的温度下运行，并保持稳定长达44小时。 由于使用了结构化的悬挂键，即使在477 K（203.85°C）的温度下也显示出高的热稳定性，因此可以精确地克服该温度限制。 而且，由于悬挂通信之间的距离非常近，因此记录密度可以提高32％。 另一个重要的功能是在任何时候（不仅是在创建样本时）能够创建或删除悬空键的能力，从而可以覆盖信息。 但是，由于这种过程与显微镜针头的损坏有关，因此该陈述至今仍是一个理论。
实验结果
氢光刻在进行氢光刻时，不可思议的精度非常重要。 首先，必须清楚地知道所选区域中每个氢原子的位置，以便显微镜针正确穿过样品。 轻微的错误可能导致错误的原子将被清除的事实，这将导致样品无法使用。
图片编号1除了有关氢原子位置的信息外，还必须了解其他原子的位置，这样您就不必在光刻程序之后每次都重复扫描。
图像
1a显示了Si（100）-2x1表面的快照。 我们可以看到该表面的明显周期性。 她使使用傅立叶分析使用单个图像确定所有氢原子的位置（图像
1b-f ）成为可能。
第一组的图像清楚地展示了整个傅立叶分析过程。 为了检测氢原子，我们使用了尺寸为10x10和40x40 nm
2的图像 。
绘制表面的“图”后，在光栅上创建所需的图案，显微镜针将沿着该图案穿过。 当针接近所需的点时，从1.8到3.0 V的电压脉冲将接通20 ms，以成功去除必要的氢原子。 移除完成后，将关闭电压。
图片编号2图像
2a ，
2b和
2d显示了创建悬空键结构的过程（结果
2e ）。 并在
2s-氢钝化以纠正光刻错误。
由于
温度漂移*和
蠕变*在较高的温度下开始发生，从而导致误差，因此STM在仅4.5 K的温度下工作。在这些条件下，该过程易于控制，并且可以在短时间内稳定STM。
温度漂移* -在环境温度影响下电气参数的变化。
蠕变*是由于恒定载荷或机械应力而导致的固体变形的缓慢过程。 在这种情况下，这是热效应。
如果无法执行此操作，或者环境温度高于4.5 K，则使用另一种防止错误的方法。 首先，在与SMT配合使用的控制图像旁边拍摄一张控制图像（10x10 nm
2 ）。 一定时间后，光刻工艺停止，并对处理过的区域进行第二次拍摄。 与控制图像进行比较，以确定是否由于漂移或蠕变而与给定图案有任何偏差。 如果这样，则调整图案以补偿缺陷。
研究人员测试了光刻的结果，但没有进行类似的校正。 在第一种情况下，准确度仅为35％，在第二种情况下为85％，这是理智的结果，因为可以通过氢钝化来纠正剩余的误差。
氢钝化如前所述，为了消除样品表面的误差，使用末端带有氢原子的硅针进行氢钝化。
STM针接近样品的特定部分的表面并“钩住”硅原子，这允许形成必要的氢再钝化结构。 当针头与氢原子结合时，显微镜图像中的差异变得可见。 为该过程准备的针头以1.4 V的采样电压和50 pA的电流强度（皮安，1 pA = 10
-12 A）置于一定的悬空键上。 此外，关闭反馈控制，电压从100 mV-1.0 V的范围变为指示器。在隧穿电流记录期间，显微镜针朝向样品移动500-800 pm（比色计，1 pm = 10
-12 m）。 完成该过程后，指针返回其原始位置，电压恢复为1.4 V，并打开反馈控制。
最为令人惊奇的是，整个复杂而完整的过程只需单击一个按钮即可启动，它会自动运行，仅需1秒钟。
我们简要地熟悉了不可分割的程序，因此，我们可以继续进行最重要和最有趣的事情。
原子记忆因此，使用氢光刻和氢钝化技术，创建了两个原子尺寸存储器的工作样本。
1个位由四个晶格壁勾勒出轮廓，在相邻的悬空键之间设置1个原子的缓冲区。 这可以在图像
1a中看到。
图片1a由于氢钝化的Si（100）-2x1表面的理想几何形状，这种布置使得可以获得非常高的位密度-1.70 bit / nm
2 。
范例（a）-字母
上图显示了一个8位存储器，用于顺序编码英语字母表中每个字母的二进制ASCII表示，每次都覆盖前一个字母。 写一封信需要10到120秒，具体取决于所需的悬挂关系数。 写字母中最耗时的过程是氢钝化，因为它受到显微镜针尖上自由氢原子数的限制。 也就是说，针头必须离开工作区域以“补充”氢原子，然后继续该过程。 然而，据研究人员称，类似的问题仅在处理此类小物体时出现。 如果结构具有大量的悬空键，那么在此过程中，针头将随着原子自动更新。 加快此过程的另一种方法是使用某些材料来创建针头本身。 例如，铂能够一次保持约1000个氢原子。
样本（b）-声音
第二个样本比第一个样本大，它是一个具有相同比特密度的192位存储器，上面记录了Mario游戏主旋律的简化版本。 该结构由62个悬空键组成，花了250秒钟来创建它。 可以使用STM和图像复制此旋律。 您可以通过下载一个简短的
视频来收听它，该
视频还显示了哪个悬空的连接负责哪个音符。
为了更详细地了解这项研究，我强烈推荐科学家的报告，该报告还描述了测量方法和实验本身的细节。结语
这项研究表明，创建有效的原子记忆是绝对真实的。 同时，使用了负担得起的设备和清晰的技术。 氢光刻和再钝化的特殊特性不仅适用于硅，而且适用于其他物质，例如锗或金刚石。
尽管这样的技术还处于起步阶段，但是，据我们所知，目前所有流行的技术都曾经处于类似的状况。 任何技术或设备的实施不仅需要科学知识的实际运用，毅力，时间，大量实验，还需要一点想象力。 难怪费曼先生在视频中说：
我不想认真对待（关于科学）。 我相信我们应该开心（开心），不要担心。
感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们，为我们为您开发
的入门级服务器的独特模拟，为Habr用户提供
30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。
戴尔R730xd便宜2倍？ 仅
在荷兰和美国，我们有
2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关
如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？