Память одиночного атома: самый маленький носитель для хранения информации

Хранение одного бита информации в атоме возможно: необычное окончание закона Мура. Один бит цифровой информации может быть в настоящее время успешно сохранен на отдельном атоме. Этот результат является прорывом в процессе миниатюризации среды для хранения данных и потенциально имеет все шансы стать основой квантовых вычислений.

Один бит цифровой информации может быть в настоящее время успешно сохранен на отдельном атоме, следует из статьи, опубликованной в Nature. Существующие на рынке магнитные устройства памяти требуют примерно 1 миллион атомов для выполнения аналогичных операций. Андреас Хайнрих, вновь назначенный директор Центра Квантовой Нанонауки Института Базовых наук (Южная Корея), возглавил исследовательский проект, завершившийся этим открытием в Исследовательском центре Альмаден (IBM, США). Этот результат является прорывом в миниатюризации среды хранения данных и может стать основой для квантовых вычислений.

Диски, покрытые намагниченным слоем металла, позволяют нашим компьютерам хранить файлы в форме битов, каждый из которых может принимать значения «0» или «1». Одно направление магнитного поля определяет значение «0», другое – «1». В каждый момент времени маленькие участки диска, примерно в несколько миллионов атомов, соответствует каждому биту информации. Исследование Хайнриха ушло от «магнитного» принципа хранения информации и использовала наименьшее количество вещества для этих целей – один атом.

В этом исследовании ученые работали с инструментом, названным сканирующим туннельным микроскопом. Он имеет специальный наконечник, позволяющий исследователю наблюдать и передвигать отдельные атомы, а также сообщать им импульс электрического тока. Исследователи использовали этот импульс для изменения направленности магнитного поля для одиночных атомов гольмия. Таким образом, возможно записать единицу или ноль в отдельный атом гольмия. Квантовый сенсор, разработанный командой Хайнриха и являющийся уникальным в мире, использовался для чтения информации, сохраненной в атоме гольмия. Он состоит из атома железа, расположенного рядом с атомом гельмия. Используя этот метод ученые могут наблюдать, что гольмий поддерживает стабильные магнитные состояния в течение нескольких часов.

Хайнрих является одним из немногих людей в мире, который использует этот инструмент для измерения и изменения свойств одиночных атомов. Он планирует значительно расширить область своих исследований в своем новом исследовательском центре, размещенном в женском Университете Эхва в Сеуле.

Затем команда исследователей Хайнриха попыталась использовать 2 атома гольмия вместо одного и получила другое удивительное открытие. Даже размещение атомов гольмия на расстоянии друг от друга в 1 нанометр не повлияет на способность каждого сохранять свое состояние. Это стало сюрпризом, так как ожидался обратный эффект, заключающийся в изменении состояния одного атома за счет влияния другого атома.

Таким образом, ученые могут построить двубитное устройство с четырьмя типами памяти: 1-1, 0-0, 1-0 и 0-1, в точности характеризующими железный датчик. Закон Мура определяет, что количество информации, которое может быть сохранено в микросхеме, удваивается каждые 18 месяцев. Это наблюдается на протяжении последних нескольких десятилетий. Каждая новая модель электронного устройства всегда меньше и мощнее предыдущей. Устройства хранения информации становятся меньше и меньше, и когда их размеры станут соизмеримы с величиной атома, начинают проявляться новые квантовые свойства, вызывающие проблемы. Невозможность дальнейшей миниатюризации заставила экспертов говорить о невыполнимости закона Мура.

Интересно, что при использовании атомов гольмия подобный эффект не наблюдался по неизвестным пока причинам. «Не существует квантовых механических воздействий между атомами гольмия. Сейчас мы хотим узнать, почему», - отмечает Хайнрих. «Атомы гольмия могут быть расположены очень близко друг к другу, так что плотность хранения с использованием этого нового метода, может быть очень высокой. Мы открыли новые возможности для квантовой нанонауки, контролируя состояние одиночных атомов по своему желанию. Это исследование может вызвать инновационный подъем в производстве носителей информации, который в свою очередь увеличит возможность миниатюризации хранения данных».

Назад

Не менее интересно