Международная группа физиков добилась предельной плотности записи информации в магнитном состоянии вещества — один бит в одном атоме. Это соответствует увеличению емкости жестких дисков в тысячи раз. Для двухбитового устройства ученые разработали процедуры записи и чтения информации с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Технология еще далека от реальных применений, однако она показывает, что достижение предела плотности записи информации возможно. Исследование опубликовано в Nature, кратко о нем сообщает редакционная заметка журнала.
Магнитная запись информации основана на том, что многие материалы в магнитном поле намагничиваются вдоль его линий и сохраняют эту намагниченность даже после отключения поля. В магнитных носителях, таких как дискеты и HDD, роль битов выполняет намагниченность небольших участков диска. С уменьшением размеров этих участков значительно растет объем информации, которую можно записать на устройстве того же размера. Сейчас один домен коммерчески доступных жестких дисков насчитывает в себе порядка миллиона атомов (несколько нанометров в диаметре). Эксперименты показывают, что размер запоминающей ячейки можно уменьшить до 3-12 атомов.
Авторы новой работы добились стабильной записи и хранения информации на протяжении нескольких часов в одиночных атомах гольмия. Выбор металла ученые объясняют следующим образом. Любая орбиталь атома может нести на себе ни одного, один или два электрона. Магнитные свойства атомов определяются в основном неспаренными электронами, которые находятся на своей орбитали в одиночестве. Гольмий обладает большим количеством неспаренных электронов и, к тому же, является обладателем самого большого магнитного момента среди элементов периодической таблицы. Кроме того, неспаренные электроны атома находятся близко к ядру, что обеспечивает их некоторую изолированность от внешней среды. Поэтому магнитное состояние гольмия может сохраняться достаточно долгое время.
На поверхности оксида магния гольмий испытывает магнитную анизотропию — она приводит к тому, что у атома есть два устойчивых магнитных состояния, определяющихся ориентацией его суммарного спина. Чтобы перейти из одного состояния в другое атом должен преодолеть энергетический барьер. Чем ниже температура среды, тем менее вероятен этот переход. Соответственно этим двум устойчивым состояниям и приписываются значения «нуля» и «единицы».
В эксперименте ученые создали ячейку памяти, состоявшую из двух атомов гольмия, находящихся на поверхности оксида магния, который был охлажден до 1,2 кельвина. Для записи и чтения ученые использовали кантилевер сканирующего туннельного микроскопа — чрезвычайно острую иглу. Операция записи заключалась в приложении к атому определенного электрического напряжения. Для чтения авторы использовали эффект туннельного магнетосопротивления — электрическое сопротивление между поверхностью и иглой зависит от направлений намагниченности кончика иглы и атома гольмия.
Чтобы проверить, не вносит ли сам кантилевер помех в работу устройства и оценить время жизни записанной информации, физики использовали недавно разработанный ими метод мониторинга магнитных полей. Для этого рядом с атомами гольмия ученые поместили атом железа, служивший детектором. Магнитное поле атома гольмия вызывало небольшие изменения в электронной оболочке железа (происходило расщепление уровней), что авторы фиксировали с помощью спектроскопических техник. Оказалось, что информация хранилась без изменений на протяжении более пяти часов. При повышении температуры до 4,3 кельвина спонтанное изменение состояния произошло спустя полтора часа после записи.
Это не первый пример памяти, использующей для записи одиночные атомы. В 2016 году голландские физики научились кодировать информацию с помощью положения одиночных атомов хлора на монокристалле меди. Авторы продемонстрировали элемент памяти объемом в один килобит и даже записали в него фрагменты текста лекции Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» и «Происхождения видов» Чарльза Дарвина.
Предельная плотность записи информации позволяет поместить по одному биту информации в один атом, находящийся на поверхности носителя. Если взять, к примеру, поверхность монокристалла железа и записывать информацию на ней, то в квадратном сантиметре уместится около 10 петабайт данных.