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稀土元素制成單原子硬盤,或將存儲密度提高1000倍

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時間:2017-05-12   來源:中國稀土行業協會  文本大小:【 |  | 】  【打印

    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定了:磁極會來回翻轉。現在,物理學家能夠把單原子變成了穩定的磁子。

  洛桑蘇黎世聯邦理工學院的物理學家Fabian Natterer和他的研究團隊今年在《自然》上發表論文,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字節的數據。Natterer認為,這種硬盤規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評論說:“這是一項了不起的成就,他們終于在單原子身上實現了磁場穩定性。”

  普通的數據硬盤包含很多磁化區域,每個磁化區域就像一小條磁棒,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,也就是數據單元——比特。這些磁化區域越小,數據的存儲密度也就越高。但是要確保磁化區域是穩定的,這樣它們代表的1和0才不會發生錯誤的變化。

  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把表示1比特數據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,受到外界環境的干擾很小。這些特點讓鈥原子能產生很強并且穩定的磁場。但正是因為這些電子位于內層,觀察確定它們的磁場極性反而變得十分困難。直到現在,還有很多物理學家懷疑能否真正確定鈥原子的磁場極性。

  為了將數據寫入一個鈥原子上,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,鈥原子磁子很穩定,能夠在長達幾個小時內保持自身磁場極性,并且研究人員從未觀察到不受控制的磁極翻轉。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,從而讀取存儲的數據。

  為了進一步驗證磁化尖端能準確地讀出字節數據,研究團隊與IMB的研究人員合作開發了第二種間接讀取原子磁性狀態的方法。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與兩字節鈥原子系統關聯起來,把鐵原子當做鈥原子的磁性狀態傳感器。通過測量鐵原子的電學性質,即可得到鈥原子的磁性狀態。研究團隊發現,這種間接方法可以同時讀取多個字節的磁性狀態,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的破壞小很多。

  用單原子作為磁性字節將極大地增加數據存儲的密度,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,單原子兩字節存儲離實際應用還很遠。此外,另一種單原子存儲技術,用原子的位置變化存儲信息,而不是磁性狀態,已經實現了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的優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的新技術不僅可以用來存儲數據,還可以代替電流在計算機中傳遞信息,同時這樣的系統會更加節能。

  從目前來看,物理學家對研究單原子磁子還是勁頭十足的。Natter現在計劃觀察一個三原子迷你磁子系統,其中它們的磁場是競爭關系,因此它們的磁極會持續翻轉。“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構。”Natterer說。

 

 

 

 

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