Исследователи сумели сохранить один байт всего на 96 атомах, в то время как современные жёсткие диски тратят на каждый байт по полмиллиарда атомов.

Специалистам из IBM и германского научного центра CFEL впервые удалось использовать особую форму магнетизма – антиферромагнетизм для хранения данных.

В отличие от обычных накопителей на базе ферромагнитных материалов, в антиферромагнетике спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, так что весь материал в целом получается магнитно нейтральным.

Благодаря этому ряды атомов, создаваемые для записи отдельных битов, можно размещать вплотную друг к другу (на расстоянии одного нанометра) без перекрёстных магнитных помех, способных влиять на соседние биты, объясняет PhysOrg.com.

Авторы этой работы решили проверить, насколько сильно можно сократить компоненты магнитного запоминающего устройства. Но вместо постепенного уменьшения размера ячейки они выбрали противоположный подход – начали с одного атома на подложке и постепенно наращивали их число, чтобы «попасть в область классической физики».

Для создания системы атомов и измерения их параметров использовался сканирующий туннельный микроскоп исследовательского центра IBM в Сан-Хосе.

Атомарно точная сборка антиферромагнетика при помощи наконечника сканирующего туннельного микроскопа. Атомы железа (зелёный цвет) размещаются на подложке из нитрида меди и связываются двумя атомами азота (синие стержни) в регулярном порядке, разделённые одним атомом меди (жёлтый цвет) (иллюстрация Sebastian Loth/CFEL).

Выяснилось, что всего 12 атомов достаточно для надёжной записи одного бита, а 96 атомов, соответственно, для одного байта. При меньшем размере ячейки квантовые эффекты ещё влияют на хранимую информацию, говорят учёные.

Один бит экспериментаторы составили из пары рядов по шесть атомов железа каждый. Байт был получен совмещением восьми таких блоков. Причём он занял площадку 4 на 16 нанометров, что соответствовало плотности хранения данных, в сто раз большей, чем в жёстких дисках.

Запись информации производилась при помощи электрического импульса, подаваемого на наконечник микроскопа. Импульс переворачивал магнитную конфигурацию каждых 12 атомов (у такой группы имеется два возможных состояния, соответствующие 0 и 1). Более же слабый импульс позволял считывать эти данные.

Закодированное в ASCII слово think («думать»), представленное пятью снимками одного 96-атомного байта, находящегося в разных состояниях (фото IBM).

Созданная система показала, что способна хранить данные в течение нескольких часов, правда, только при температуре 5 кельвинов. Но авторы работы полагают, что аналогичные комплексы из 200 атомов будут стабильными при комнатной температуре.

И хотя ещё потребуется время, чтобы от подобных опытов можно было перейти к созданию практически пригодных атомарных запоминающих устройств, исследователи считают, что их работа выходит далеко за рамки существующих технологий хранения данных.

Кроме того, эксперимент с необычной системой атомов является своего рода испытательным стендом для отслеживания эффектов на условной границе применимости обычной и квантовой физики. Учёные говорят, что научились контролировать квантовые эффекты в такой системе, подбирая размер и форму рядов атомов. А это поможет лучше понять, чем отличается квантовый магнит от классического.