Память разложили по атомам

На смену магнитным носителям информации придут устройства смешанного типа

Зондом туннельного микроскопа можно менять магнитную конфигурацию отдельных атомов

Достигнут еще один предел миниатюризации запоминающих устройств: американским и немецким физикам удалось записать и считать информацию с магнитной ячейки размером в 12 атомов, использовав феномен антиферромагнетизма.

Совместная исследовательская группа IBM и немецкого Центра лазеров на свободных электронах (CFEL) сконструировала самую маленькую в мире ячейку магнитной памяти, использовав всего 12 атомов для записи одного бита – базовой единицы информации. Для записи минимально адресуемого набора данных – одного байта, состоящего из 8 бит, было использовано восемь таких ячеек, или 96 атомов. Для сравнения, на запись одного байта жесткие диски, эксплуатируемые в современных компьютерах, «расходуют» около полумиллиарда атомов.

Ячейка магнитной памяти из 12 атомов железа. Магнитные моменты "синих" и "белых" атомов ориентированы противоположным образом в сторону друг друга (в ферромагнетике они были бы сориентированы в одну). Замерить магнитную конфигурацию отдельных атомов позволяет техника спин-поляризационного сканирования с использованием СТМ. // Loth-CFEL

Создать самую миниатюрную ячейку памяти удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в исследовательском центре IBM Алмаден, расположенном в Сан-Хосе (Калифорния, США). СТМ – разновидность сканирующего микроскопа, в котором к образцу на расстояние несколько ангстрем подводится тончайшая металлическая игла (зонд). При подаче на иглу небольшого электрического потенциала носители заряда проникают через тонкую оксидную пленку, отделяющую токопроводящий образец от острия, и между зондом и образцом возникает туннельный ток.

Регистрируя изменение тока, можно считывать рельеф поверхности с разрешением вплоть до отдельных атомов.

Зонд СТМ, позволяющий не только регистрировать, то также изменять магнитные свойства проводника на уровне узлов кристаллической решетки, был использован в качестве считывающего и записывающего устройства, носителем же информации выступили атомы железа, сгруппированные на подложке из нитрида меди в двухрядные блоки по шесть атомов в каждом ряду.

Игла СТМ, на которую подается потенциал, может менять магнитную конфигурацию такого блока (при этом двум её возможным вариантам ставятся в соответствие «единица» или «ноль»). Считывать конфигурацию можно, подавая на иглу более слабый импульс. Восемь таких блоков, или однобайтный домен, занимают площадь 4Х16 нм, что в сотни раз меньше, чем байтные блоки на поверхности современных жестких дисков.

Магнитики из 12 атомов демонстрируют предсказуемое изменение магнитной конфигурации при температуре 5 Кельвинов (минус 268 градусов по Цельсию), но авторы статьи рассчитывают, что вскоре удастся достичь устойчивого поведения магнитных доменов из 200 атомов уже при комнатной температуре.

сложная технология СТМ, криогенные установки и низкотемпературные режимы, ограничивающие применение нанопамяти стенами лабораторий, никого смущать не должны.

Так, практическая значимость эффекта гигантского магнитосопротивления, открытого в конце 1980-х годов с помощью громоздких и сложных установок молекулярно-лучевой эпитаксии, позволявших получать многослойные пленочные структуры нанометровой толщины в условиях сверхвысокого вакуума, тоже стала ясна не сразу и лишь через 15 лет произвела настоящую революцию в индустрии компьютерной памяти, позволив конструировать жесткие диски со сверхвысокой плотностью записи, которыми все сейчас успешно пользуются, а также экспериментальные чипы на основе магниторезистивной памяти (MRAM), которым прочат большое будущее.

В отличие от гигантского магниторезистивного эффекта, за открытие которого получили Нобелевскую премию по физике коллективы сразу двух лабораторий, возможность считывания и записи информации с помощью СТМ и атомных магнитных доменов, продемонстрированная IBM и CFEL, пока не связана с открытием какого-то нового фундаментального эффекта. Также не является новой и сама идея использовать для записи/считывания сканирующий туннельный микроскоп.

А вот использование авторами такого экзотичного феномена, как антиферромагнетизм, для создания самого миниатюрного устройства памяти можно действительно назвать новаторским.

В антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу, что позволило уменьшить размер отдельного намагниченного участка до рекордных 12 атомов, не опасаясь за магнитное взаимодействие с соседними атомами внутри проводника. Внутри классических ферромагнетиков, используемых в жестких дисках, размер минимально устойчивого магнитного пятна составляет уже несколько сотен миллионов атомов, и его дальнейшее уменьшение невозможно, так как вероятность распадения домена экспоненциально увеличивается.

По сути группа IBM-СFEL опытным путем установила предельно минимальный размер электромагнитного устройства памяти, работа которого еще описывается законами классической электродинамики. Уменьшать его дальше, оставаясь в пределах классической теории, невозможно: в действие вступают квантовые эффекты, размывающие хранимую в ячейках информацию. И это еще один важный результат эксперимента:

самую миниатюрную атомную ячейку памяти можно использовать как удобный испытательный полигон для контролируемого перехода от классической к квантовой электронике и обкатке смешанных классическо-квантовомеханических устройств памяти.

Именно с последними связывают дальнейший прогресс в миниатюризации устройств хранения информации, начавшийся с использования гигантского магниторезистивного эффекта в считывающих головках современных жестких дисков, когда дальнейшее уплотнение информации на ферромагнитных носителях считалось уже физически невозможным. Возможно, антиферромагнетики произведут еще одну революцию в миниатюризации устройств электронной памяти, так как чисто квантовые устройства памяти остаются пока делом весьма отдаленного будущего.