Wie sie es gemacht haben:Lernen Sie die IBM Nanowissenschaftler kennen, die Daten auf einem einzelnen Atom speicherten

Stellen Sie sich vor, Sie speichern die gesamte iTunes-Bibliothek mit 35 Millionen Songs auf einem Gerät von der Größe einer Kreditkarte. Auch wenn es noch nicht möglich ist, könnte es eines Tages – dank einer aktuellen Studie von Nanowissenschaftlern von IBM Research – Almaden in San Jose, Kalifornien, sein, die in Nature veröffentlicht wurde . In dem Papier demonstrierten die Nanowissenschaftler die Fähigkeit, ein Datenbit auf einem Atom zu lesen und zu schreiben . Zum Vergleich:Heutige Festplatten verwenden 100.000 bis eine Million Atome, um ein einziges Informationsbit zu speichern.

Eine einzelne Holmiumatom, ein Element der Seltenen Erden, wird als kleinster Magnet der Welt verwendet, um ein Datenbit zu speichern.

Wie es funktioniert hat

Die grundlegendste Information, die ein Computer versteht, ist ein bisschen. Ähnlich wie ein Licht, das ein- oder ausgeschaltet werden kann, kann ein Bit nur einen von zwei Werten haben:1 oder 0. Bisher war unbekannt, wie wenige Atome es braucht, um ein zuverlässiges magnetisches Speicherbit aufzubauen.

In dieser Studie haben Nanowissenschaftler den kleinsten Magneten der Welt geschaffen, ein einzelnes Atom. Ähnlich wie ein Magnet an einem Kühlschrank hatte dieser einen magnetischen Nord- und einen Südpol, bestand aber nur aus einem einzigen Atom des Elements Holmium. Das einzelne Holmium-Atom wurde an einer sorgfältig ausgewählten Oberfläche, Magnesiumoxid, befestigt, wodurch seine Nord- und Südpole in einer stabilen Richtung gehalten wurden, selbst wenn sie beispielsweise durch andere Magnete in der Nähe gestört wurden. Die beiden stabilen magnetischen Orientierungen definiert die 1 und 0 des Bits. Eine spitze Metallnadel eines kundenspezifischen Mikroskops (das von IBM erfundene, mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Rastertunnelmikroskop) leitete einen Strom ein, der den magnetischen Nord- und Südpol des Atoms umdrehte und ihn so zwischen 1 und 0 änderte. Dies entsprach dem „ write“-Prozess auf einem Festplattenlaufwerk. Die IBM-Nanowissenschaftler konnten dann den durch das Atom fließenden magnetischen Strom messen, um festzustellen, ob sein Wert 1 oder 0 war. Dies war der „Leseprozess“.

Treffen Sie die Forscher

Christopher Lutz , IBM-Nanowissenschaftler, verwendet das von IBM erfundene, mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Mikroskop, um Daten auf dem kleinsten Magneten der Welt zu speichern.

Christopher Lutz ist Innovation nicht fremd. Im Alter von neun Jahren erklärte er seinen Eltern, beiden Künstlern:„Ich glaube, ich werde Physiker.“

Chris begann seine akademische Karriere jedoch als Informatiker. 1985 verabschiedete sich Chris aus Geld- und Energiemangel von seinem Doktorandenprogramm an der UC Santa Cruz und wagte einen Sommerjob bei IBM Research – Almaden. Chris baute einen Parallelcomputer, um die Physik von Atomen zu simulieren, und erfüllte damit seine Kindheitsaufgabe. Schließlich tat sich Chris mit dem renommierten Nanowissenschaftler und IBM-Stipendiaten Don Eigler zusammen. Später, zusammen mit Andreas Heinrich, jetzt am Center for Quantum Nanoscience in Seoul, veröffentlichten sie einen Forschungsstrom der letzten 25 Jahre, der ihre Fähigkeit nutzte, einzelne Atome zu bewegen. Sie haben auch den kleinsten Film der Welt mit dem Titel "A Boy and His Atom" kreiert, eine Stop-Motion-Animation, die eine Sequenz von Bildern verwendet, die aus einzelnen Atomen zusammengesetzt sind.

Chris' Leidenschaft für die Nanowissenschaften entspringt seiner einzigartigen Perspektive auf die Welt. „Wenn ich die Welt betrachte, sehe ich eine Reihe von Berechnungen“, sagte Chris. „Zum Beispiel führt ein von einem Baum fallendes Blatt viele Berechnungen durch, während es fällt. Grob betrachtet berücksichtigt seine Bewegung die Schwerkraft und den Widerstand der Luft, um die Fallgeschwindigkeit zu bestimmen. Schauen Sie genauer hin und die Bewegungen der Atome führen komplizierte Berechnungen durch, um den Gesetzen der Physik zu folgen. Meine Arbeit bei IBM konzentriert sich darauf, Wege zu finden, die Muster in der winzigen Welt der Atome zu verstehen und sie auf die gewünschten Berechnungen zu lenken. Wir haben zum Beispiel die kleinsten miteinander verbundenen Logikgatter der Welt durch die Verwendung präziser Anordnungen von Molekülen hergestellt. In dieser neuesten Studie hat ein einzelnes Atom einen wesentlichen Teil der Berechnung übernommen:Es speichert ein paar Daten für uns.“

Bis heute hat Chris Dutzende von nanowissenschaftlichen Studien veröffentlicht, von denen einige weltweit Eingang in die Lehrpläne von Universitäten gefunden haben. Kai Yang, Postdoktorand bei IBM, der jetzt mit Chris zusammenarbeitet, weiß das aus erster Hand. Kai stammt ursprünglich aus einer kleinen Stadt in China und studierte an seiner örtlichen Universität die Nanowissenschaften von IBM. Irgendwann hörte er, dass Mitglieder des Nanowissenschaftsteams von IBM Research seinen College-Campus besuchten,

IBM Nanowissenschaftler Christopher Lutz (links) und Kai Yang (rechts) bei IBM Research – Almaden in San Jose, Kalifornien.

Er meldete sich eifrig als Campus-Reiseleiter des Teams, damit er seine Lehrbuchhelden kennenlernen konnte. Diese Tour führte dazu, dass Kai ein Praktikum im Almaden-Labor von IBM Research erhielt, wo er mit Chris Lutz und dem Team an der Ein-Bit-zu-Eins-Atom-Studie arbeitete.

Laut Kai war dies die Forschungsstudie, die es fast nicht war. Nachdem das Team einen Monat lang versucht hatte, zwei stabile magnetische Orientierungen der Holmiumatome zu messen, war es noch nicht gelungen. Das Team hat sich sechs Wochen Zeit gelassen, um zu beweisen, dass das Holmium-Atom ein stabiles magnetisches Gebiss ist – sonst wäre die Studie abgeschlossen. Überzeugt davon, dass er es schaffen könnte, arbeiteten Kai und sein Team, zu dem auch Gastwissenschaftler Fabian Natterer gehörte, buchstäblich Tag und Nacht im Labor, um zu zeigen, dass dies bis zum bevorstehenden Termin möglich war. Schließlich konnte das Team eines frühen Morgens um 4 Uhr morgens im Labor die beiden stabilen magnetischen Orientierungen eines einzelnen Holmiumatoms demonstrieren. Der Schlüssel war zu erkennen, dass das Atom so stabil war, dass sie es aktiv zwischen den Zuständen wechseln mussten, indem sie einen elektrischen Stromimpuls durch das Atom fließen ließen. Dies war das Ergebnis, das sie schließlich in Nature veröffentlichten .

„Ich bin froh, dass wir nicht aufgegeben haben“, sagte Kai, der vor kurzem als Postdoktorand bei IBM angestellt und aufgrund seiner wegweisenden Arbeit für die Liste der 35 Innovatoren unter 35 des MIT Tech Review nominiert wurde.

Die IBM-Nanowissenschaftler erforschen weiterhin den Magnetismus einzelner Atome und ihre Wechselwirkung, indem sie sie präzise auf einer Oberfläche zu Strukturen anordnen, die sonst nicht existieren würden. Die magnetischen Eigenschaften werden mit ihrer leistungsstarken neuen Technik der Einzelatom-Spinresonanz erfasst, die dieselbe Physik wie die MRT-Bildgebung verwendet, jedoch auf einzelne Atome angewendet wird.

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