Bit na tuzinie atomów

Naukowcy z firmy IBM i niemieckiego Center for Free-Electron Laser Science opracowali pamięć magnetyczną, w której cały bajt mieści się na powierzchni zaledwie 64 nanometrów kwadratowych

- Obserwując miniaturyzację elektroniki, chcieliśmy wiedzieć, czy ten proces można doprowadzić do pojedynczych atomów - opowiada Sebastian Loth, główny autor pracy obublikowanej w najnowszym numerze prestiżowego tygodnika "Science". - Sprawdzaliśmy, jak dużą jednostkę przechowującą informacje trzeba zbudować, by pozostać w królestwie fizyki klasycznej.

Wiadomo bowiem, że poniżej pewnej granicy miniaturyzacji, "zwyczajna" elektronika ulega zakłóceniom wynikającym ze zjawisk kwantowych. Na poziomie pojedynczych atomów zjawiska takie potrafią zniekształcić przechowywaną informację. Ale ilu atomów trzeba, by dane były bezpieczne?

Naukowcy zamiast tradycyjnie głowić się nad zmniejszaniem układów, zbadali problem od podstaw.

- Zaczynając od najmniejszego elementu - pojedynczego atomu - zaczęliśmy budować urządzenia przechowujące dane atom po atomie - wyjaśnia Andreas Heinrich z IBM.

Tuzin wystarczy

Miniaturyzacja nie jest sztuką dla sztuki. Urządzenia podlegające Prawu Moore'a są nie tylko coraz bardziej kompaktowe. Są również energooszczędne. To niekoniecznie dotyczy prototypów, które wymagają do obsługi specjalnego sprzętu.

Naukowcy użyli tunelowego mikroskopu skaningowego z IBM Almaden Research Center w kalifornijskim San Jose. Na płaskiej płytce układali rzędy atomów żelaza - jeden po drugim. Okazało się, że dwa rzędy po sześć atomów pozwalają trwale zapisać jeden bit informacji (czyli zero lub jedynkę).

Po raz pierwszy udało się w tym eksperymencie zastosować specjalny rodzaj magnetyzmu, tzw. antyferromagnetyzm. W ferromagnetycznych napędach stosowanych obecnie, spiny atomów są takie same i to dodatkowo utrudnia miniaturyzację. W nowej technologii IBM powierznia nośnika jest magnetycznie neuralna, bo sąsiadujące ze sobą atomy mają przeciwne spiny. Dzięki temu rzędy atomów żelaza można było zsunąć na odległość zaledwie nanometra.

fot. IBMfot. IBM

Bajt danych (czyli np. litera kodu) udaje się zapisać na 96 atomach zgrupowanych na powierzchni o wymiarach 4 na 16 nanometrów.

- To odpowiada gęstości zapisu stukrotnie wyższej niż we współczesnych dyskach twardych - cieszy się Loth.

Choć udało się w ten sposób ustalić granice "bezpiecznej" fizyki klasycznej dla tego akurat pierwiastka, pamięć opracowana przez naukowców działa tylko w temperaturze 5 Kelwinów, czyli -268 st. C. Do stabilnego działania tej pamięci w temperaturze pokojowej atomów musi być więcej. Naukowcy szacują, że potrzeba ich około 200.

Okiełznać zjawiska kwantowe

Niezależnie od tych wyników, trwają badania nad obróceniem niekorzystnych zjawisk kwantowych na naszą korzyść i zagęszczaniem pamięci komputerowej daleko poza granice wyznaczane przez prawa fizyki klasycznej.

Opracowana przez IBM i CFEL technologia będzie znakomitym poligonem do badań również nad tymi nieklasycznymi rodzajami pamięci.

- Nauczyliśmy się kontrolować zjawiska kwantowe za pomocą układu i rozmiaru rzędów atomów żelaza. Możemy teraz wykorzystać te umiejętności do badania, w jaki sposób mechanika kwantowa wskakuje do tego urządzenia - wyjaśnia Loth. - Co różni magnesy kwantowe od klasycznych? Jak taki nanomagnes zachowuje się na granicy między oboma światami? To są ekscytujący pytania, na które wkrótce znajdziemy odpowiedzi.

 

Więcej o: