Бит информации разместили в одном атоме

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.

Фото IBM.

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.