Наименьшее в мире магнитное устройство для хранения информации

Ученые из IBM и немецкого Центра лазеров на свободных электронах (Center for Free-Electron Laser Science, CFEL) создали наименьший в мире магнитный элемент хранения информации. Он использует всего лишь двенадцать атомов на бит (основная единица информации), и сжимает байт (8 бит) всего лишь до 96 атомов. Современным жестким дискам, для сравнения, необходимо более  полмиллиарда атомов на байт. Команды представили свою работу в еженедельном журнале Science в пятницу (13 января 2012 года). CFEL является совместным предприятием научно-исследовательского центра Немецкого Электронного Синхротрона (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY) в Гамбурге, Общества Макса Планка (Max-Planck-Society, MPG) и Гамбургского университета.

Нанометровой блок хранения данных был построен атом за атомом, с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ, англ. scanning tunneling microscope, STM) в исследовательском центре IBM Almaden Research Center в Сан-Хосе (штат Калифорния). Исследователи построили равномерные структуры атомов железа, выстраивая их в ряды по шесть атомов в каждом. Два ряда достаточно для хранения одного бита информации. Байт соответственно, состоит из восьми пар атомных строк. При этом использует площадь размером 4 на 16 нанометров (нанометр - миллионная миллиметра). "Это соответствует плотности хранения данных в сто раз выше, чем в современных жестких дисках", объясняет Себастьян Лот (Sebastian Loth) из CFEL, ведущий автор научной статьи.

Данные записываются и считываются с наноблока хранения данных с помощью СТМ. Пара атомных строк имеет два возможных магнитных состояния, представляющих два значения классического бита: '0' и '1'. Электрический импульс СТМ переключает магнитную конфигурацию с одного на другой. Более слабый импульс позволяет считывать конфигурацию, хотя наномагниты в настоящее время стабильны только при очень низкой температуре -268 градусов по Цельсию (5 Кельвин). "Наша работа выходит далеко за рамки существующих технологий хранения данных", говорит Лот. Исследователи ожидают, что массивы состоящие приблизительно из 200 атомов должны быть стабильными при комнатной температуре. Тем не менее, пройдет некоторое время, прежде чем атомные магниты смогут использоваться для хранения данных.


Впервые, исследователям удалось использовать специальную форму магнетизма для целей хранения данных, называемого антиферромагнетизм. В отличие от ферромагнетизма, который используется в обычных жестких дисках, спины соседних атомов в антиферромагнетике выравниваются противоположно, что делает материал магнитно нейтральным по всему объему. Это означает, что антиферромагнитные атомные строки могут располагаться гораздо ближе, не мешая друг другу. Таким образом, ученым удалось собрать биты, расположенные друг от друга на расстоянии всего 1 нанометр.

"Мы проверили, насколько большим мы должны сделать наш элемент, чтобы достичь области классической физики", объясняет Лот, который переехал из IBM в CFEL четыре месяца назад. Двенадцать атомов появился как минимум, при котором элемент можно использовать. "Ниже этого порога квантовые эффекты размывают хранимую информации". Тема использования этих квантовых эффектов для еще более плотного хранения данных, в настоящее время интенсивно исследуется.

В своих экспериментах группа не только собрала наименьшее магнитное устройство хранения информации, но и создала идеальный полигон для перехода от классической к квантовой физике. "Мы научились контролировать квантовые эффекты через форму и размер строк атомов железа", объясняет Лот. "Теперь мы можем использовать эту возможность, чтобы исследовать, когда квантовая механика пропадает. Чем отличаются квантовые магниты от классических? Как ведет себя магнит на границе между двумя мирами? На эти волнующие вопросы вскоре можно будет дать ответ".