Vedci z Radboud University objavili nový mechanizmus pre magnetické ukladanie informácií v najmenšej jednotke hmoty: jednom atóme. Zatiaľ čo dôkaz o princípe bol preukázaný pri veľmi nízkych teplotách, tento mechanizmus sľubuje prevádzku pri izbovej teplote.
Týmto spôsobom bude možné uložiť tisíckrát viac informácií ako v súčasných pevných diskoch. Ich zistenia sú uverejnené v Nature Communications.
To, že sa naša súčasná výpočtová architektúra príliš nezrýchľuje a potrebuje veľa energie, v kombinácii s explodujúcimi požiadavkami na ukladanie informácií vedie k záujmu výskumníkov o nové stratégie na ukladanie väčšieho množstva informácií energeticky efektívnym spôsobom. Jednou potenciálnou cestou je ukladanie informácií na konečnom limite škálovania: na jednom atóme. "Počítače dosiahli fundamentálne limity, pokiaľ ide o to, o koľko lepšie môžu byť, čo vytvára obrovský dopyt v materiálovom výskume po hľadaní alternatív. Moderné počítače používajú veľa elektriny, v súčasnosti konzumujú viac ako 5 percent svetovej elektriny. Veda hovorí, že môžeme získať oveľa viac energie v oblasti energetickej účinnosti. Zameriavame sa na veľmi základnú súčasť moderných počítačov: bit pamäti. Používame atómy, pretože sú najmenšou jednotkou hmoty a tiež nám umožňujú ďalej chápať fundamentálne princípy ich správania. Naša aktuálna otázka: ako môžeme ukladať informácie v rámci jedného atómu a ako stabilne môžeme uložiť túto informáciu?", vysvetľuje prvý autor článku Brian Kiraly.
Potrebujeme zastaviť preklápenie atómov, aby sme mohli ukladať informácie
Keď sa dostanete na úroveň jedného atómu, atómy, ktoré sú magnetické, už nie sú stabilné. "Čo definuje permanentný magnet je to, že má severný a južný pól, ktorý zostáva v rovnakej orientácii," vysvetľuje profesor skenovacej microskopie Alexander Khajetoorians: "Ale keď sa dostanete na jediný atóm, severný a južný pól atóm začína preskakovať (preklápať sa) a nevie, akým smerom by mal ukazovať, pretože sa stáva mimoriadne citlivými na svoje okolie. Ak chcete, aby magnetický atóm držal informácie, nemôže preskakovať (prepólovávať sa). V posledných desiatich rokoch sa vedci pýtali: Aby atóm prestal preklápať, koľko atómov je potrebných na stabilizáciu magnetu a ako dlho môže uchovávať informácie predtým, ako sa znova otočí? V posledných dvoch rokoch vedci v Lausanne a v spoločnosti IBM Almaden zistili, ako udrťaž atóm stabilný aby sa nepreklápal, čo ukazuje, že jediný atóm môže byť pamäťou. Na to museli výskumníci používať veľmi nízke teploty, 40 Kelvinov alebo -233 stupňov Celzia. Táto technológia je obmedzená na extrémne nízku teplotu."
Atóm kobaltu na inom povrchu
Vedci z Radboud University mali iný prístup. Výberom špeciálneho substrátu - polovodivého čierneho fosforu - objavili nový spôsob ukladania informácií v rámci jednotlivých atómov kobaltu, ktorý obchádza bežné problémy s nestabilitou. Pomocou skenovacieho tunelovacieho mikroskopu, kde sa ostrý kovový hrot pohybuje cez ich povrch vo vzdialenosti len niekoľkých atómov, mohli "vidieť" jednotlivé atómy kobaltu na povrchu čierneho fosforu. Kvôli extrémne vysokému rozlíšeniu a špeciálnym vlastnostiam materiálu priamo ukázali, že jednotlivé atómy kobaltu môžu byť manipulované do jedného z dvoch bitových stavov.
Vyššia stabilita ako u predchádzajúcich magnetov
Elektróny v atómove obiahajú okolo jadra, ale tiež sa "točia", podobne ako sa Zem točí okolo Slnka a okolo svojej vlastnej osi. Celkové množstvo točenia sa, alebo jeho uhlová hybnosť, je to, čo nám dáva magnetizmus. "Namiesto tohto momentu rotácie, ktorý použili predchádzajúci vedci, sme zistili spôsob, ako vytvoriť energetický rozdiel medzi niekoľkými orbitálmi atómu kobaltu a teraz používame orbitálny moment hybnosti pre našu atómovú pamäť. Toto má oveľa väčšiu energetickú bariéru a môže byť životaschopné na to, aby bola jednotlivá atómová pamäť stabilná pri izbovej teplote.
"Nakoniec je to aj magnet s momentom hybnosti, ale teraz sme schopní ovládať atóm zo stavu 0 na 1, ktorý má oveľa vyššiu stabilitu ako iné magnety," hovorí Kiraly. "Keď sme prvýkrát vykonali experiment a videli toto binárne prepínanie, neboli sme si istí, čo sa deje. V krásnej spolupráci s teoretikom z Radboudskej univerzity M. Katsnelsonom a S. Rudenkom sme mohli poukázať na to, že pozorujeme orbitálny moment a vytvárame novú pamäť," dodáva Khajetoorians.
Ukladajte tisíckrát viac informácií
Aktuálne sú prvky, ktoré ukladajú bity pevného disku, tisíckrát väčšie ako atóm. Khajetoorians: "Čo táto práca ukazuje je, že ak by sme mohli vytvoriť skutočný pevný disk zo všetkých týchto atómov - a stále sme od toho ďaleko - mohli by sme ukladať tisíckrát viac informácií."
Publikácia: Brian Kiraly, Alexander N.Rudenko, Werner M.J.van Weerdenburg, Daniel Wegner, Mikhail I. Katsnelson & Alexander A. Khajetoorians. An orbitally derived single-atom magnetic memory. Nature Communicatons. DOI: 10.1038/s41467-018-06337-4
Zdroj: www.ru.nl
Omen