Самый маленький в мире магнит, 2017 год. Фото: IBM

Международный коллектив во главе с группами из научно-исследовательского центра IBM Almaden Research Center и Федеральной политехнической школы в Лозанне приблизился к абсолютному пределу классического подхода к хранению информации на физических носителях. Учёные создали самый маленький в мире магнит на одном атоме и записали туда 1 бит данных. Для понимания: на самых современных HDD для записи одного бита используются примерно 100 000 атомов.

Запись и чтение информации на атомарном уровне открывает невероятные возможности по созданию накопителей меньшего размера и большей ёмкости.

До настоящего времени максимальным пределом адресуемых бистабильных магнитных битов были кластеры по 3-12 атомов. В то же время были доказаны длительные периоды магнитной релаксации для отдельных атомов лантаноидов в молекулярных магнитах, лантаноидах в кристаллах, а недавно — в атомах гольмия (Ho) на изолирующей подложке из оксида магния (MgO).

Лантаноиды — семейство, состоящее из 15 редкоземельных металлов, с атомными номерами 57-71 (от лантана до лютеция). У всех лантаноидов с церия до иттербия заполняется 4f-подоболочка. Неспаренные 4f-электроны наделяют некоторые из этих металлов уникальными магнитными свойствами (например, в неодиме).

Итак, в результате последних экспериментов стало понятно, что отдельные атомы лантаноидов способны длительное время сохранять магнитное состояние. Эти результаты указали явный путь для дальнейших экспериментов, которые позволят выйти на реальное хранение информации на атомном уровне. Оставалась только одна технологическая проблема — как получить доступ к индивидуальным магнитным центрам атомов, то есть как на практике считывать состояние надёжным и точным способом?

Сейчас исследователям из IBM Almaden Research Center удалось решить эту проблему. Они нашли способ намагничивать отдельные атомы и доказали, что намагниченное состояние сохраняется долгое время.

Запись информации осуществлялась электрическими импульсами с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Каждый импульс меняет местами северный и южный магнитные полюса на атоме, что соответствует значениям 0 и 1.


Д-р Кристофер Лутц (Christopher Lutz) из IBM Research использует сканирующий туннельный микроскоп IBM, за который присуждена Нобелевская премия, чтобы записать данные в магнит из одного атома

Cостояние атомов гольмия считывали, используя эффект туннельного магнетосопротивления. На расстоянии около 1 нм рядом с атомом гольмия размещён атом железа (Fe), с которым происходит одноатомный резонанс электронного спина (электронный парамагнитный резонанс, обусловленный спинами электронов). То есть атом железа может регистрировать магнитное состояние атома гольмия.


Экспериментальная установка и переключение магнитного состояния атома гольмия с расположенным рядом локальным магнетометром из атома железа

О сенсоре из атома железа IBM рассказывала год назад. Это представитель нового класса сенсоров, которые IBM изобрела в 2015 году — так называемые сенсоры резонанса электронного спина (electron spin resonance, ESR-сенсоры). Теперь понятно, зачем компании нужна была эта технология. Принцип работы сенсора напоминает принцип магнитно-резонансной томографии, только здесь он применяется к отдельным атомам. Смысл в том, что когда частота и напряжённость магнитного поля достигают определённых значений, то неспаренный электронный в атоме гольмия выходит из термодинамического равновесия. Этот резкий всплеск (см. график внизу) фиксируется сенсором ESR. В зависимости от возможных магнитных состояний гольмия всплеск может происходить на одной из возможных частот.



С помощью атома железа (ESR-сенсора) становится возможным считывать магнитное состояние атома гольмия, то есть распознавать серверный и южный полюса атомов гольмия. Поскольку у нас есть способ изменять это состояние электрическими импульсами через сканирующий туннельный микроскоп, то получается полнофункциональная система для записи и чтения цифровой информации. Два возможных состояния магнитного поля атома гольмия соответствуют значениям 0 и 1.

В эксперименте IBM было доказано, что один ESR-сенсор может успешно считывать данные с двух атомов гольмия.



Научная статья опубликована в журнале Nature 8 марта 2017 года (doi:10.1038/nature21371).

Интересно, что если 1 бит будет соответствовать 1 атому, то информацию в буквальном смысле можно будет измерять на вес, то есть в граммах. Например, в одном грамме гольмия содержится 3,65?10²¹ атомов (атомный вес гольмия 164,93032 г/моль, число Авогадро 6,02214179?10²³), получается примерно 3,65 зеттабита информации.

Таким образом, 1 грамм накопителя хранит 456 эксабайтов данных.

Д-р Лутц не считает, что атомы гольмия заменят домашние накопители в ближайшем будущем, ведь тогда дома нужно установить сканирующий туннельный микроскоп, который работает при 4 K — чтобы атомы с записанной информацией не разбежались. В мобильных устройствах будет проблематично создать такие условия.

Тем не менее, физик с оптимизмом смотрит на перспективы одноатомных ESR-сенсоров, возможности которых в самом деле поражают воображение.