把一塊磁鐵一分為二，它就變成了兩塊小磁鐵。再分割一次，就成了4塊。但當磁鐵越來越小時，它們的磁場就沒那么穩(wěn)定了：磁極會來回翻轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，物理學家能夠把單原子變成了穩(wěn)定的磁子。
Natterer 和他的研究團隊于3月8號在《自然》上發(fā)表論文，表示用鈥單原子磁子制作出原子硬盤。這個原子硬盤包含兩個鈥單原子磁子，只能存儲2字節(jié)的數(shù)據(jù)。洛桑蘇黎世聯(lián)邦理工學院的物理學家 Fabian Natterer 是論文作者，他認為這種硬盤規(guī)模擴大后能把硬盤的存儲密度提高1000倍。
荷蘭代爾夫特理工大學物理學家 Sander Otte 評論：“這是一項了不起的成就，(他們)終于在單原子身上實現(xiàn)了磁場穩(wěn)定性。”
普通的數(shù)據(jù)硬盤包含很多磁化區(qū)域，每個磁化區(qū)域就像一小條磁棒，它們的磁場方向可以朝上也可以朝下。磁場方向代表1或0，也就是數(shù)據(jù)單元——比特。這些磁化區(qū)域越小，數(shù)據(jù)的存儲密度也就越高。但是要確保磁化區(qū)域是穩(wěn)定的，這樣它們代表的1和0才不會發(fā)生錯誤的變化。
目前市面上的存儲設備需要用一百萬個原子來表示比特單元。但是，物理學家在實驗室里已經(jīng)把表示1比特數(shù)據(jù)所需的原子大大減少：從2012年Loth S. 等人使用12個原子到今天只需要一個原子。Natterer 和他的團隊用的是稀土元素鈥(Ho, 67號元素)。他們將鈥原子放在氧化鎂板上，置于低于5開爾文溫度的環(huán)境下。
研究人員選擇鈥原子作為單原子存儲材料的原因是，鈥原子有很多未配對電子，這些未配對電子在低溫下能產(chǎn)生很強的磁場。同時，由于這些電子分布在靠近原子中心的軌道上，受到外界環(huán)境的干擾很小。這些特點讓鈥原子能產(chǎn)生很強并且穩(wěn)定的磁場。但正是因為這些電子位于內(nèi)層，觀察確定它們的磁場極性反而變得十分困難。直到現(xiàn)在，還有很多物理學家懷疑能否真正確定鈥原子的磁場極性。
為了將數(shù)據(jù)寫入一個鈥原子上，研究人員需要找到一種方法控制并改變它的磁場極性。他們通過隧道顯微鏡的磁化尖端釋放電流來控制鈥原子的磁場極性。在測試過程中，鈥原子磁子很穩(wěn)定，能夠在長達幾個小時內(nèi)保持自身磁場極性，并且研究人員從未觀察到不受控制的磁極翻轉(zhuǎn)。他們使用同一臺隧道顯微鏡，通過施加不同的電流檢測原子的磁性狀態(tài)，從而讀取存儲的數(shù)據(jù)。
為了進一步驗證磁化尖端能準確地讀出字節(jié)數(shù)據(jù)，研究團隊與 IMB 的研究人員合作開發(fā)了第二種間接讀取原子磁性狀態(tài)的方法。他們在兩個鈥原子旁邊鑲嵌了一個鐵原子，利用鐵原子和鈥原子的電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)，將鐵原子的電學性質(zhì)與兩字節(jié)鈥原子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，把鐵原子當做鈥原子的磁性狀態(tài)傳感器。通過測量鐵原子的電學性質(zhì)，即可得到鈥原子的磁性狀態(tài)。研究團隊發(fā)現(xiàn)，這種間接方法可以同時讀取多個字節(jié)的磁性狀態(tài)，因此實用性更強。并且，相對于使用隧道顯微鏡的方法，后者顯然對鈥原子系統(tǒng)的破壞小很多。
用單原子作為磁性字節(jié)將極大地增加數(shù)據(jù)存儲的密度，Natterer和他的同事正努力嘗試制作更長的單原子磁子序列。就目前來說，單原子兩字節(jié)存儲離實際應用還很遠。此外，另一種單原子存儲技術(shù)，用原子的位置變化存儲信息，而不是磁性狀態(tài)，已經(jīng)實現(xiàn)了1千比特(8192比特)的可讀寫存儲空間。
然而，單原子磁性存儲系統(tǒng)的優(yōu)點在于它能夠兼容自旋電子器件，Otte 說。這項利用原子磁性狀態(tài)的新技術(shù)不僅可以用來存儲數(shù)據(jù)，還可以代替電流在計算機中傳遞信息，同時這樣的系統(tǒng)會更加節(jié)能。
從目前來看，物理學家對研究單原子磁子還是盡頭十足的。Natter 現(xiàn)在計劃觀察一個三原子迷你磁子系統(tǒng)，其中它們的磁場是競爭關(guān)系，因此它們的磁極會持續(xù)翻轉(zhuǎn)。“你可以把這些單原子磁子看做樂高積木，把它們放在一起就能形成磁性結(jié)構(gòu)，”Natterer 說。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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