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Nature子刊:科学家发现了一个原子中信息存储的新机制

关键词 :

原子中信息存储

发布日期

2018-09-28

摘要: Nature子刊:科学家发现了一个原子中信息存储的新机制

 

Co对BP的吸附和转换。图a:在T <5K(Vs = -400mV,It = 20pA,比例尺= 1nm)下沉积的BP上的六种Co物质。盒装原子显示沿着[010]通过镜面相关的物种。图b:a中的四个原子已经转换为JH,低(Vs = -400 mV,It = 20 pA,比例尺= 1 nm)。图c:来自b的两个原子已切换为JH,高(Vs = -400 mV,It = 20 pA,比例尺= 1 nm)。图d:开关特性从JH,低至JH,高电平,Vs = 420 mV和图e,高电平至JH,低电平,Vs = -680 mV,并指出了开关近似阈值偏差(Vth)。橙色圆圈表示切换顺序期间的尖端位置,显示配置前后的插图图像的尺寸为4nm×4nm。图f:BP上Co物种吸附势能曲线的示意图

 

内梅亨大学(Radboud University)的科学家发现了一种新的机制,可以将信息存储在最小的物质单位:单个原子中。虽然该原理需要在非常低的温度下才能证实,但该机制却具有在室温下的应用前景。通过这种方式,就可以存储比当前硬盘多几千倍的信息。该研究结果被发表在《自然通讯》杂志上。

 

由于我们当前的计算体系结构并没有那么快,而且使用了大量的电能,再加上对存储信息的需求激增,研究人员自然对以节能的方式存储更多信息的新策略更感兴趣。这个潜在的方法就是将信息存储在最终的尺度极限:单个原子中。第一作者Brian Kiraly解释道,电脑在性能上已经达到了极限,这使得材料研究领域对替代材料的需求巨大。现代计算机大量使用电力,目前用电总量超过世界总电量的5%。基础科学认为我们可以获得更高的能源效率。但我们最关注的是现代计算机的一个基本的组成部分:一点内存。使用物质的最小单位—原子,也能够进一步帮助我们理解该行为背后的基础科学。所以我们当前的问题是:如何在单个原子中存储信息以及稳定地获取这些信息?

 

停止翻转才能存储信息

 

当达到单原子水平时,磁性原子不再保持稳定。扫描探针显微镜教授Alexander Khajetoorians解释说,“比如永磁体的定义,它有一个北极和一个南极,并且保持相同的方向,但当得到一个原子时,原子的南北磁极开始翻转,它们不知道该指向何方,因为其对周围环境变得极其敏感。如果想用磁性原子来保存信息,就必须不能让其翻转。在过去的十年里,研究人员一直在问:为了让原子停止翻转,需要多少原子才能稳定磁铁;以及在它再次翻转之前它能保留信息多久?在过去的两年里,洛桑和IBM Almaden的科学家们已经想出如何防止原子翻转的办法,这表明单个原子可以成为记忆体。但是,研究人员必须使用非常低的温度——40开尔文或-233℃

 

Radboud大学的科学家采取了不同的方法。通过一种特殊的基质——半导体黑磷,他们发现了一种在单个钴原子中存储信息的新方法,避免了不稳定的问题。使用扫描隧道显微镜,尖锐的金属尖端在几个原子的表面上移动,还可以观察到黑磷表面上的单个钴原子。由于材料的极高分辨率和特殊性质,直接表明单个钴原子可以被操纵成两个位状态之一。

 

更高的稳定性

 

原子中的电子以原子核为中心绕其轨道运动,但也会自旋。就像地球一样,既围绕太阳公转,也会绕轴自转。它旋转的总量或角动量能给我们带来磁力。先前研究人员使用过的这种自旋角动量,现在我们找到了一种方法,可以在钴原子的几个轨道之间产生能量差,并使用轨道角动量来记忆原子。这就会有一个更大的能量屏障,可能可行,能使单原子存储器在室温稳定下来。

 

Kiraly说,最后,这仍然是一个具有角动量的磁铁,但我们现在能够控制原子从0到1状态,保证比其他磁铁具有更高的稳定性。Khajetoorians补充道,当我们第一次进行实验时并看到这种二进制切换时,并不确定到底发生了什么。通过与Radboud大学的Misha Katsnelson和Sasha Rudenko的精彩合作中,我们能够确定正在观察的原子的轨道时刻,并创造了存储记忆的新方式。

 

存储千倍信息

 

现在,存储硬盘驱动器的元素仍然比原子大1000倍。Khajetoorians表示,这项工作意味着,如果我们能够用所有这些原子构建一个真正的硬盘,那我们还有很长一段路要走,真正到那时就可以存储成千上万倍的信息。

 

原文来自phys,原文题目:Scientists discover new mechanism for information storage in one atom,由材料科技在线团队翻译整理。

内容分类:技术动态

领域分类:信息功能材料产业

来源:新材料网

原文链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=290051

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