Бит информации разместили в одном атоме

Один бит информации записали на атом гольмия. Именно его изображение можно видеть на микрофотографии сканирующего туннельного микроскопа.

Один бит информации записали на атом гольмия. Именно его изображение можно видеть на микрофотографии сканирующего туннельного микроскопа.
Фото IBM.

Ведущий автор исследования Кристофер Лутц во время работы за микроскопом.

Ведущий автор исследования Кристофер Лутц во время работы за микроскопом.
Фото IBM.

Один бит информации записали на атом гольмия. Именно его изображение можно видеть на микрофотографии сканирующего туннельного микроскопа.
Ведущий автор исследования Кристофер Лутц во время работы за микроскопом.
Международная команда физиков во главе со специалистами из компании IBM создала стабильный одноатомный магнит, который грозится произвести революцию в мире хранения информации, но пока в довольно отдалённом будущем. Учёные утверждают, что им удалось использовать его в качестве одного бита.

Ещё несколько десятилетий назад компьютеры размером с холодильник могли хранить в миллионы раз меньше информации, чем смартфон в вашем кармане сегодня. И главным фактором, определяющим постепенное снижение размеров электронных устройств, является постоянное повышение плотности хранения данных.

Современные жёсткие диски содержат информацию в крошечных магнитных ячейках, расположенных на подложке (часто в виде диска для удобства считывания). Каждая из них, по сути, представляет собой очень маленький магнит, поле которого условно направлено либо вверх, либо вниз. В зависимости от этого ячейке присваивается значение 0 или 1. Каждая такая ячейка представляет собой один бит данных. Соответственно, чем он меньше физически, тем больше информации можно записать на носитель или сделать его максимально компактным.

Загвоздка в том, что эти намагниченные участки должны быть стабильными, а при попытках получить магнит меньшего размера, он легко может стать неустойчивым, например, начать неконтролируемо менять полярность (а значит, и переключаться между значениями 1 и 0, то есть портить данные, которые хранит).

Современные коммерческие биты состоят примерно из одного миллиона атомов. Специалистам компании IBM в 2012 году в экспериментальных условиях удалось сократить их количество в одном бите до 12 штук. Тогда это были атомы железа.

Теперь в сотрудничестве с физиками из Германии, Швейцарии, Китая и Южной Кореи команда Научно-исследовательского центра IBM Almaden во главе с Кристофером Лутцем (Christopher Lutz) создала бит из одного атома. Главным героем стал редкоземельный элемент гольмий, отдельные атомы которого разместили на листе из оксида магния и заставили работать при температуре около 5 градусов Кельвина или минус 268,15 градуса по шкале Цельсия.

Ведущий автор исследования Кристофер Лутц во время работы за микроскопом.

В качестве "главного героя" выступил именно гольмий, потому что у него много неспаренных электронов, которые создают сильное магнитное поле. При этом их орбита пролегает близко к ядру атома, где они защищены от воздействия окружающей среды. Впрочем, как оказалось, даже на расстоянии в один нанометр друг от друга атомы гольмия не влияли на индивидуальную способность каждого хранить информацию.

Гольмий намагничивали с помощью импульса электрического тока, исходящего с кончика зонда сканирующего туннельного микроскопа. Прибор позволяет задавать определённую ориентацию магнитного поля атома, придавая ему тем самым значение нуля или единицы. Считывание информации производится также с помощью сканирующего микроскопа.

В статье, опубликованной авторами работы в издании Nature, сообщается, что первый одноатомный бит сохранял информацию на протяжении нескольких часов.

К сожалению, как и в случае с 12-атомным железным битом, на данный момент практическое применение новой технологии невозможно, в частности, из-за сложного дорогостоящего оборудования и необходимых условий для существования удивительного магнита. Но в перспективе, если физики и инженеры решат эту проблему, возможно, нас ждёт увеличение плотности хранения информации на жёстком диске в тысячу раз.

В планах самих разработчиков технологии стоят другие цели. Сейчас первоочередной задачей для них является создание массивов одноатомных магнитов. Кроме этого, у учёных есть огромный простор для экспериментирования с несколькими атомами, что необходимо, чтобы лучше понять их свойства.

Если хранение информации с помощью магнитных полей можно считать классическим решением, то существуют разработки и с принципиально другим подходом. Например, в последние годы для этого различные научные группы всё чаще предлагают использовать молекулы ДНК и квантовые технологии.