IBM成功在一顆原子中存儲數據：信用卡大小存儲iTunes所有3500萬首歌曲

由多名專業人員組成的國際化科研團隊近日成功打造了全球最小的磁體——獨立的原子，并演示在未來可能利用該磁體來存儲數據。

而在這項研究成果公布之前，業界普遍認為分子是最小的數據存儲單元。為了更形象的說明這項研究成果的意義，你可以想象成這樣：一個原子存儲 1 bit，那么不到一張信用卡大小的設備能夠完全存儲 iTunes 音樂庫中的所有 3500 萬首歌曲。目前該項目由 IBM 研究院艾曼登研究中心（IBM Research -Almaden）和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的團隊共同帶領。

2015 年，IBM 研究院首次研發了單原子「探測器」——電子自旋共振（ESR）探測器；今年 3 月 6 日，IBM 公開宣布已找到新方法將 ESR 應用于掃描隧道電子顯微鏡（STM），確定單一原子的排列狀態。而今天介紹的科研項目就是這項新發現的附加成果之一。

通過超級尖的探針掃描物體表面，當探針上的鐵原子產生反應 STM 就能測量兩者之間的隧道電流，從而能夠更直觀的測量單個原子的磁場，且靈敏精準度要比其他方式更高。

目前科學家通過最新研發的鐵原子傳感器，已經成功檢測到鈥原子的磁場。這主要是因為作為地球吸引元素之一，鈥原子具備極高的磁性。同此前研發的鐵原子傳感器有所不同的是，新方法可以在不影響到靶原子的前提下，只使用一臺 STM 同時對鈥原子的磁極進行讀取和操作。

通過鐵原子探針能夠讀取鈥原子的磁極 (北極或者南極)，鈥原子能夠在數字邏輯中存儲多個 0 和 1。從本質上來說，科學家完全能夠將鐵原子當作 ESR 傳感器，配合 STM 的操作已經開發出能夠在單個原子上存儲數據的讀寫方式。

在《自然》（Nature）上發表的最新研究顯示，科研人員發現可以在鈥原子的納米范圍內放置一個鐵原子，通過電流將鈥原子的南北磁極進行對調的情況下鐵原子并不會收到任何影響，這樣鐵原子就能讀取鈥原子的南北磁極（從而在數字邏輯中代表 0 和 1）。

因為鐵原子和鈥原子能夠如此緊密的共處，因此工程師能夠非常便攜的創建磁性存儲，是當前固態硬盤和機械硬盤存儲芯片密度的 1000 多倍。

在下方的視頻中，提供了一些關于 STM 的發展歷史以及工作原理，在最新研究成果中，它能夠成為單個原子讀寫數據存儲系統的重要輔助工具。

通過對這些獨立原子的重新排列可以構建出非常合理的三層漢堡型讀寫存儲系統：頂部為這些帶有磁性的原子，中間使用氧化鎂襯底充當絕緣層，底部則是金屬電極。而鈥原子的特性之一是，哪怕身處在磁場范圍等復雜環境中也能長時間的保持極性，從而通過附著在氧化鎂表面成為數據存儲的理想媒介。

當 STM 的探針對鈥原子引入電流，那么原子的南北極就會發生偏轉，從而實現 0 和 1 之間的相互轉換。這個步驟或多或少的對應于傳統機械硬盤中的「寫入」操作。

而「讀取」操作主要利用鐵原子檢測是否存在「Precess」（進動/旋進）現象來檢測當前鈥原子的磁極狀態。當其中原子在磁場中處于為成對的電子自旋中，它們就會以某種特定頻率圍繞著磁場進行旋轉。這個頻率取決于磁場強度和原子的磁矩，也就是這個原子的磁力強度。

科研人員為顯微鏡部署了一個磁場，然后向 STM 的隧道接合處輸送高頻電壓。當電壓頻率同旋轉進動同步之后，旋轉就不會收到熱平衡（同磁場對齊）的影響。由于掃描頻率相同，STM 探針上的鐵傳感器在相應方向就會檢測到變化，在諧振頻率中能夠檢測到隧道電流的明顯變化。這個諧振頻率會受到附近的磁性原子的影響而發生移動。

本周早些時候在接受 IEEE Spectrum 采訪中，艾曼登研究中心的科學家 Chris Lutz 解釋道：「這項科研項目的原理和磁共振成像相同，只是我們檢測電子進動而并不是核進動，而且通過移動探針我們能夠訪問我們感興趣的某一個特定原子，而不是數十億個。」

Lutz 謹慎的表示近期并不期望這項技術會替代常規的機械硬盤存儲。想要實現存儲需求，為了讓這些電子保持活動活性必須要保持 4 開爾文（零下 269.15 攝氏度）的韓靜下，對于時刻放在口袋中的移動設備來說這顯然是不可能的。除此之外，還需要相當繁瑣的科學和工程措施才能確保整個存儲系統真正運行。

Lutz 和他的團隊非常明確這項研究成果在未來將會擁有非常廣泛的應用前景。事實上早在幾年前，由于當時的 STM 設備無法利用觀察磁性原子的電子結構，科研團隊只能對此類磁性原子望洋興嘆。

但是現在，這種帶獨立鐵原子的全新 ESR 傳感器的發明讓未來充滿了無限可能。對于能夠掀起新型計算機存儲系統浪潮，現在下結論還為時尚早。但是朝著這個方向發展的進程中，計算機存儲將會帶來更多的突破性成果。

via IEEE Spectrum