Ещё несколько десятилетий назад
компьютеры размером с холодильник могли хранить в миллионы раз меньше
информации, чем смартфон в вашем кармане сегодня. И главным фактором,
определяющим постепенное снижение размеров электронных устройств,
является постоянное повышение плотности хранения данных.
Современные жёсткие диски содержат
информацию в крошечных магнитных ячейках, расположенных на подложке
(часто в виде диска для удоства считывания). Каждая из них, по сути,
представляет собой очень маленький магнит, поле которого условно
направлено либо вверх, либо вниз. В зависимости от этого ячейке
присваивается значение 0 или 1. Каждая такая ячейка представляет собой
один бит данных. Соответственно, чем он меньше физически, тем больше
информации можно записать на носитель или сделать его максимально
компактным.
Загвоздка в том, что эти намагниченные
участки должны быть стабильными, а при попытках получить магнит меньшего
размера, он легко может стать неустойчивым, например, начать
неконтролируемо менять полярность (а значит, и переключаться между
значениями 1 и 0, то есть портить данные, которые хранит).
Современные коммерческие биты состоят
примерно из одного миллиона атомов. Специалистам компании IBM в 2012
году в экспериментальных условиях удалось сократить их количество в одном бите до 12 штук. Тогда это были атомы железа.
Теперь в сотрудничестве с физиками из
Германии, Швейцарии, Китая и Южной Кореи команда
Научно-исследовательского центра IBM Almaden во главе с Кристофером
Лутцем (Christopher Lutz) создала бит из одного атома.
Главным героем стал редкоземельный элемент гольмий, отдельные атомы
которого разместили на листе из оксида магния и заставили работать при
температуре около 5 градусов Кельвина или минус 268,15 градуса по шкале
Цельсия.
В качестве "главного героя" выступил
именно гольмий, потому что у него много неспаренных электронов, которые
создают сильное магнитное поле. При этом их орбита пролегает близко к
ядру атома, где они защищены от воздействия окружающей среды. Впрочем,
как оказалось, даже на расстоянии в один нанометр друг от друга атомы
гольмия не влияли на индивидуальную способность каждого хранить
информацию.
Гольмий намагничивали с помощью импульса
электрического тока, исходящего с кончика зонда сканирующего
туннельного микроскопа. Прибор позволяет задавать определённую
ориентацию магнитного поля атома, придавая ему тем самым значение нуля
или единицы. Считывание информации производится также с помощью
сканирующего микроскопа.
В статье,
опубликованной авторами работы в издании Nature, сообщается, что первый
одноатомный бит сохранял информацию на протяжении нескольких часов.
К сожалению, как и в случае с 12-атомным
железным битом, на данный момент практическое применение новой
технологии невозможно, в частности, из-за сложного дорогостоящего
оборудования и необходимых условий для существования удивительного
магнита. Но в перспективе, если физики и инженеры решат эту проблему,
возможно, нас ждёт увеличение плотности хранения информации на жёстком
диске в тысячу раз.
В планах самих разработчиков технологии
стоят другие цели. Сейчас первоочередной задачей для них является
создание массивов одноатомных магнитов. Кроме этого, у учёных есть
огромный простор для экспериментирования с несколькими атомами, что
необходимо, чтобы лучше понять их свойства.
Если хранение информации с помощью
магнитных полей можно считать классическим решением, то существуют
разработки и с принципиально другим подходом. Например, в последние годы
для этого различные научные группы всё чаще предлагают использовать молекулы ДНК и квантовые технологии.