由多名專業(yè)人員組成的國際化科研團隊近日成功打造了全球最小的磁體——獨立的原子，并演示在未來可能利用該磁體來存儲數(shù)據(jù)。

而在這項研究成果公布之前，業(yè)界普遍認(rèn)為分子是最小的數(shù)據(jù)存儲單元。為了更形象的說明這項研究成果的意義，你可以想象成這樣：一個原子存儲 1 bit，那么不到一張信用卡大小的設(shè)備能夠完全存儲 iTunes 音樂庫中的所有 3500 萬首歌曲。目前該項目由 IBM 研究院艾曼登研究中心（IBM Research -Almaden）和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的團隊共同帶領(lǐng)。

2015 年，IBM 研究院首次研發(fā)了單原子「探測器」——電子自旋共振（ESR）探測器；今年 3 月 6 日，IBM 公開宣布已找到新方法將 ESR 應(yīng)用于掃描隧道電子顯微鏡（STM），確定單一原子的排列狀態(tài)。而今天介紹的科研項目就是這項新發(fā)現(xiàn)的附加成果之一。

通過超級尖的探針掃描物體表面，當(dāng)探針上的鐵原子產(chǎn)生反應(yīng) STM 就能測量兩者之間的隧道電流，從而能夠更直觀的測量單個原子的磁場，且靈敏精準(zhǔn)度要比其他方式更高。

目前科學(xué)家通過最新研發(fā)的鐵原子傳感器，已經(jīng)成功檢測到鈥原子的磁場。這主要是因為作為地球吸引元素之一，鈥原子具備極高的磁性。同此前研發(fā)的鐵原子傳感器有所不同的是，新方法可以在不影響到靶原子的前提下，只使用一臺 STM 同時對鈥原子的磁極進行讀取和操作。

通過鐵原子探針能夠讀取鈥原子的磁極 (北極或者南極)，鈥原子能夠在數(shù)字邏輯中存儲多個 0 和 1。從本質(zhì)上來說，科學(xué)家完全能夠?qū)㈣F原子當(dāng)作 ESR 傳感器，配合 STM 的操作已經(jīng)開發(fā)出能夠在單個原子上存儲數(shù)據(jù)的讀寫方式。

在《自然》（Nature）上發(fā)表的最新研究顯示，科研人員發(fā)現(xiàn)可以在鈥原子的納米范圍內(nèi)放置一個鐵原子，通過電流將鈥原子的南北磁極進行對調(diào)的情況下鐵原子并不會收到任何影響，這樣鐵原子就能讀取鈥原子的南北磁極（從而在數(shù)字邏輯中代表 0 和 1）。

因為鐵原子和鈥原子能夠如此緊密的共處，因此工程師能夠非常便攜的創(chuàng)建磁性存儲，是當(dāng)前固態(tài)硬盤和機械硬盤存儲芯片密度的 1000 多倍。

在下方的視頻中，提供了一些關(guān)于 STM 的發(fā)展歷史以及工作原理，在最新研究成果中，它能夠成為單個原子讀寫數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的重要輔助工具。

通過對這些獨立原子的重新排列可以構(gòu)建出非常合理的三層漢堡型讀寫存儲系統(tǒng)：頂部為這些帶有磁性的原子，中間使用氧化鎂襯底充當(dāng)絕緣層，底部則是金屬電極。而鈥原子的特性之一是，哪怕身處在磁場范圍等復(fù)雜環(huán)境中也能長時間的保持極性，從而通過附著在氧化鎂表面成為數(shù)據(jù)存儲的理想媒介。

當(dāng) STM 的探針對鈥原子引入電流，那么原子的南北極就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn) 0 和 1 之間的相互轉(zhuǎn)換。這個步驟或多或少的對應(yīng)于傳統(tǒng)機械硬盤中的「寫入」操作。

而「讀取」操作主要利用鐵原子檢測是否存在「Precess」（進動/旋進）現(xiàn)象來檢測當(dāng)前鈥原子的磁極狀態(tài)。當(dāng)其中原子在磁場中處于為成對的電子自旋中，它們就會以某種特定頻率圍繞著磁場進行旋轉(zhuǎn)。這個頻率取決于磁場強度和原子的磁矩，也就是這個原子的磁力強度。

科研人員為顯微鏡部署了一個磁場，然后向 STM 的隧道接合處輸送高頻電壓。當(dāng)電壓頻率同旋轉(zhuǎn)進動同步之后，旋轉(zhuǎn)就不會收到熱平衡（同磁場對齊）的影響。由于掃描頻率相同，STM 探針上的鐵傳感器在相應(yīng)方向就會檢測到變化，在諧振頻率中能夠檢測到隧道電流的明顯變化。這個諧振頻率會受到附近的磁性原子的影響而發(fā)生移動。

本周早些時候在接受 IEEE Spectrum 采訪中，艾曼登研究中心的科學(xué)家 Chris Lutz 解釋道：「這項科研項目的原理和磁共振成像相同，只是我們檢測電子進動而并不是核進動，而且通過移動探針我們能夠訪問我們感興趣的某一個特定原子，而不是數(shù)十億個?！?/p>

Lutz 謹(jǐn)慎的表示近期并不期望這項技術(shù)會替代常規(guī)的機械硬盤存儲。想要實現(xiàn)存儲需求，為了讓這些電子保持活動活性必須要保持 4 開爾文（零下 269.15 攝氏度）的韓靜下，對于時刻放在口袋中的移動設(shè)備來說這顯然是不可能的。除此之外，還需要相當(dāng)繁瑣的科學(xué)和工程措施才能確保整個存儲系統(tǒng)真正運行。

Lutz 和他的團隊非常明確這項研究成果在未來將會擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。事實上早在幾年前，由于當(dāng)時的 STM 設(shè)備無法利用觀察磁性原子的電子結(jié)構(gòu)，科研團隊只能對此類磁性原子望洋興嘆。

但是現(xiàn)在，這種帶獨立鐵原子的全新 ESR 傳感器的發(fā)明讓未來充滿了無限可能。對于能夠掀起新型計算機存儲系統(tǒng)浪潮，現(xiàn)在下結(jié)論還為時尚早。但是朝著這個方向發(fā)展的進程中，計算機存儲將會帶來更多的突破性成果。

via IEEE Spectrum

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