IBM Nanowissenschaftler Speichern Datenbit Auf Einem Einzelnen Atom – Durchbruch Für Ultra-Miniaturisierten Speicher

Stellen Sie sich vor, die gesamte iTunes-Bibliothek von 35 Millionen Songs auf einem kreditkartengroßen Gerät unterzubringen. Während noch ein Traum, bringt eine kürzliche Studie von IBM Research-Almaden in San Jose, Kalifornien, uns dieser Realität näher. Veröffentlicht in Nature, zeigt die Forschung, wie man ein Bit Daten auf einem einzelnen Atom lesen und schreiben kann – bemerkenswert, ein ganzes Hard-Disk-Laufwerk nutzt 100.000 bis eine Million Atome für ein einzelnes Bit.

Ein einzelnes Holmium-Atom, ein Selten-Erd-Element, dient als weltkleinster Magnet zur Kodierung eines Datenbits.

Funktionsweise

Bits – die fundamentalen Informationseinheiten – können nur die Werte 0 oder 1 annehmen, ähnlich einem Lichtschalter. Die Bestimmung der minimalen Atomzahl für ein zuverlässiges magnetisches Bit war langjährige Herausforderung. In dieser Studie engineered das Team den kleinsten Magneten je: ein einzelnes Holmium-Atom. An einer Magnesiumoxid-Oberfläche befestigt, bleiben die Nord- und Südpole des Atoms stabil ausgerichtet, selbst wenn benachbarte Magnete interferieren. Diese zwei Orientierungen definieren das Bits 0 und 1.

Ein custom, IBM-erfundenes, Nobelpreis-gekrontes Rastertunnelmikroskop (STM) liefert einen fokussierten Strom, der die magnetische Orientierung des Atoms flippt und den „Write“-Vorgang ermöglicht. Derselbe STM misst den resultierenden magnetischen Strom, um den Bit-Wert zu lesen. Diese duale Read/Write-Fähigkeit markiert einen signifikanten Meilenstein in atomarer Speichertechnologie.

Die Forscher Kennenlernen

Christopher Lutz, IBM Nanowissenschaftler, nutzt das STM, um Daten auf dem weltkleinsten Magneten aufzuzeichnen.

Christopher Lutz, Physiker mit Computer-Science-Background, ist seit langem Pionier in Atom-Skalen-Manipulation. Nach kurzer Pause von seinem UC Santa Cruz Doktoratsprogramm trat er 1985 IBM Research-Almaden bei, wo er einen Parallelcomputer zur Simulation atomarer Physik baute. Kollaborierend mit Nobelpreisträger Don Eigler und später Andreas Heinrich führte Lutz über 25 Jahre bahnbrechende Forschung, inklusive Erschaffung des weltkleinsten Films „A Boy and His Atom“.

„Ich sehe die Welt als Serie von Computationen“, erklärt Lutz. „Indem wir Atome mit Nanometer-Präzision arrangieren, können wir Logic Gates bauen und, wie in dieser Studie gezeigt, ein einzelnes Atom kann zuverlässig ein Datenbit speichern.“

Postdoc-Forscher Kai Yang, ursprünglich aus einer kleinen Stadt in China, trat dem Team bei nach Volunteering als Campus-Tourguide während eines IBM-Besuchs. Er erinnert sich, wie nah das Projekt am Scheitern war: nach einem Monat gescheiterter Versuche, zwei stabile magnetische Zustände zu detektieren, stand dem Team eine sechswöchige Deadline bevor. Tag und Nacht arbeitend, gelang ihnen der Durchbruch um 4 Uhr morgens mit einer bahnbrechenden Pulsstrom-Technik, ein Resultat, das sie in Nature publizierten.

IBM Nanowissenschaftler Christopher Lutz (links) und Kai Yang (rechts) bei IBM Research-Almaden.

Dank dieser Arbeit wurde Yang als einer von MIT Technology Review's 35 Innovators Under 35 anerkannt und dient nun als Postdoc-Forscher bei IBM.

Blickend nach vorn, erforscht das Team weiterhin Magnetismus einzelner Atome und ihre Interaktionen. Durch Anordnung von Atomen in neuartigen Strukturen auf Oberflächen nutzen sie Einzelatom-Spin-Resonanz – eine MRT-inspirierte Technik – um magnetische Eigenschaften bei beispielloser Auflösung zu sondieren.

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