Hoe ze het deden:maak kennis met de IBM-nanowetenschappers die gegevens op een enkel atoom hebben opgeslagen

Stel je voor dat je de hele iTunes-bibliotheek van 35 miljoen nummers opslaat op een apparaat ter grootte van een creditcard. Hoewel het nog niet mogelijk is, zou het ooit kunnen gebeuren - dankzij een recent onderzoek door nanowetenschappers van IBM Research - Almaden in San Jose, Californië, dat werd gepubliceerd in Nature . In de paper demonstreerden de nanowetenschappers het vermogen om één bit data op één atoom te lezen en te schrijven. . Ter vergelijking:de huidige harde schijven gebruiken 100.000 tot een miljoen atomen om een ​​enkel stukje informatie op te slaan.

Een enkele atoom van holmium, een zeldzaam aardelement, wordt gebruikt als 's werelds kleinste magneet om één bit aan gegevens op te slaan.

Hoe het werkte

Het meest elementaire stukje informatie dat een computer begrijpt, is een beetje. Net als een lamp die aan of uit kan worden gezet, kan een bit slechts één van twee waarden hebben:1 of 0. Tot nu toe was het onbekend hoeveel atomen er nodig waren om een ​​betrouwbaar magnetisch geheugenbit te bouwen.

In deze studie creëerden nanowetenschappers 's werelds kleinste magneet, een enkel atoom. Net als een magneet op een koelkast, had deze een magnetische noord- en zuidpool, maar bestond uit slechts een enkel atoom van het element holmium. Het enkele holmiumatoom was bevestigd aan een zorgvuldig gekozen oppervlak, magnesiumoxide, waardoor de noord- en zuidpool stabiel bleven, zelfs als het werd verstoord, bijvoorbeeld door andere magneten in de buurt. De twee stabiele magnetische oriëntaties definieerden de 1 en 0 van de bit. Een scherpe metalen naald van een aangepaste microscoop (de door IBM uitgevonden, Nobelprijswinnende scanning tunneling microscoop) introduceerde een stroom die de magnetische noord- en zuidpool van het atoom omdraaide en zo veranderde tussen 1 en 0. Dit kwam overeen met de " schrijven”-proces op een harde schijf. De IBM-nanowetenschappers konden vervolgens de magnetische stroom meten die door het atoom ging om te bepalen of de waarde 1 of 0 was. Dit was het "lees"-proces.

Maak kennis met de onderzoekers

Christopher Lutz , IBM-nanowetenschappelijk onderzoeker, die de door IBM uitgevonden, Nobelprijswinnende microscoop gebruikt om gegevens op 's werelds kleinste magneet op te slaan.

Christopher Lutz is geen onbekende in innovatie. Op negenjarige leeftijd verklaarde hij tegen zijn ouders, beide kunstenaars:"Ik denk dat ik natuurkundige ga worden."

Toch begon Chris zijn academische carrière als computerwetenschapper. In 1985 nam Chris, zonder geld en energie, afscheid van zijn UC Santa Cruz-doctoraatsprogramma en waagde hij een kans op een vakantiebaan bij IBM Research - Almaden. Chris bouwde een parallelle computer om de fysica van atomen te simuleren, waarmee hij zijn kinderzoektocht bevredigde. Uiteindelijk werkte Chris samen met de beroemde nanowetenschapper en IBM-fellow Don Eigler. Later vergezeld door Andreas Heinrich, nu in het Center for Quantum Nanoscience in Seoul, publiceerden ze de afgelopen 25 jaar een stroom van onderzoek waarin ze hun vermogen gebruikten om individuele atomen te verplaatsen. Ze maakten ook 's werelds kleinste film, genaamd "A Boy and His Atom", een stop-motionanimatie met een reeks beelden samengesteld uit individuele atomen.

Chris' passie voor nanowetenschap komt voort uit zijn unieke kijk op de wereld. "Als ik naar de wereld kijk, zie ik een reeks berekeningen", zei Chris. "Een blad dat van een boom valt, voert bijvoorbeeld veel berekeningen uit tijdens het vallen. Op een grove schaal houdt zijn beweging rekening met de aantrekkingskracht van de zwaartekracht en de weerstand van de lucht om de valsnelheid te bepalen. Kijk beter en de bewegingen van de atomen voeren ingewikkelde berekeningen uit om de wetten van de fysica te volgen. Mijn werk bij IBM is gericht op het vinden van manieren om de patronen in de kleine wereld van atomen te begrijpen en hoe we ze kunnen sturen om de berekeningen uit te voeren die we willen. We hebben bijvoorbeeld 's werelds kleinste onderling verbonden logische poorten gemaakt door precieze rangschikkingen van moleculen te gebruiken. In dit meest recente onderzoek voerde een enkel atoom een ​​essentieel onderdeel van de berekening uit:het opslaan van een beetje gegevens voor ons."

Tot op heden heeft Chris tientallen nanowetenschappelijke onderzoeken gepubliceerd, waarvan er verschillende hun weg hebben gevonden naar universitaire curricula over de hele wereld. Kai Yang, een postdoctoraal onderzoeker bij IBM, die nu met Chris werkt, weet dit uit de eerste hand. Oorspronkelijk afkomstig uit een kleine stad in China, studeerde Kai IBM's nanowetenschappelijk onderzoek aan zijn plaatselijke universiteit. Toen hij op een gegeven moment hoorde dat leden van het IBM Research nanoscience-team zijn universiteitscampus bezochten,

IBM nanowetenschappers Christopher Lutz (links) en Kai Yang (rechts) bij IBM Research – Almaden in San Jose, Californië.

bood zich gretig aan om als campusgids van het team te dienen, zodat hij kennis kon maken met zijn schoolboekhelden. Die rondleiding leidde ertoe dat Kai stage liep in het Almaden-lab van IBM Research, waar hij met Chris Lutz en het team werkte aan de one-bit-on-one-atom-studie.

Volgens Kai was dit de onderzoeksstudie die dat bijna niet was. Na een maand geprobeerd te hebben om twee stabiele magnetische oriëntaties van de holmiumatomen te meten, was het team er nog niet in geslaagd. Het team gaf zichzelf zes weken om te bewijzen dat het holmiumatoom een ​​stabiel magnetisch bit is - anders zou het onderzoek worden afgerond. Ervan overtuigd dat hij het kon waarmaken, werkten Kai en zijn team, waaronder gastwetenschapper Fabian Natterer, letterlijk dag en nacht in het lab om te laten zien dat het mogelijk was tegen de naderende deadline. Eindelijk, op een vroege ochtend om 4 uur in het laboratorium, kon het team de twee stabiele magnetische oriëntaties van een enkel holmiumatoom aantonen. De sleutel was om te beseffen dat het atoom zo stabiel was dat ze het actief moesten schakelen tussen de toestanden, door er een elektrische stroomstoot doorheen te laten lopen. Dit was het resultaat dat ze uiteindelijk publiceerden in Nature .

"Ik ben blij dat we het niet hebben opgegeven", zegt Kai, die onlangs is aangenomen bij IBM als postdoctoraal onderzoeker en is genomineerd voor de 35 Innovators Under 35-lijst van MIT Tech Review op basis van zijn baanbrekende werk.

De IBM-nanowetenschappers blijven het magnetisme van individuele atomen en de manieren waarop ze op elkaar inwerken, onderzoeken door ze precies op een oppervlak te rangschikken in structuren die anders niet zouden bestaan. De magnetische eigenschappen worden waargenomen met behulp van hun krachtige nieuwe techniek van single-atom spin-resonantie, die dezelfde fysica gebruikt als MRI-beeldvorming, maar toegepast op individuele atomen.

Opslaan

Opslaan

Opslaan