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稀土元素制成单原子硬盘,或将存储密度提高1000倍

来源:中国稀土行业协会 日期:2017-05-12 加入收藏

  把一块磁铁一分为二,它就变成了两块小磁铁。再分割一次,就成了4块。但当磁铁越来越小时,它们的磁场就没那么稳定了:磁极会来回翻转。现在,物理学家能够把单原子变成了稳定的磁子。
 
  洛桑苏黎世联邦理工学院的物理学家Fabian Natterer和他的研究团队今年在《自然》上发表论文,表示用钬单原子磁子制作出原子硬盘。这个原子硬盘包含两个钬单原子磁子,只能存储2字节的数据。Natterer认为,这种硬盘规模扩大后能把硬盘的存储密度提高1000倍。
 
  荷兰代尔夫特理工大学物理学家Sander Otte评论说:“这是一项了不起的成就,他们终于在单原子身上实现了磁场稳定性。”
 
  普通的数据硬盘包含很多磁化区域,每个磁化区域就像一小条磁棒,它们的磁场方向可以朝上也可以朝下。磁场方向代表1或0,也就是数据单元——比特。这些磁化区域越小,数据的存储密度也就越高。但是要确保磁化区域是稳定的,这样它们代表的1和0才不会发生错误的变化。
 
  目前市面上的存储设备需要用一百万个原子来表示比特单元。但是,物理学家在实验室里已经把表示1比特数据所需的原子大大减少:从2012年Loth S. 等人使用12个原子到今天只需要一个原子。
 
  Natterer和他的团队用的是稀土元素钬(Ho, 67号元素)。他们将钬原子放在氧化镁板上,置于低于5开尔文温度的环境下。
 
  研究人员选择钬原子作为单原子存储材料的原因是,钬原子有很多未配对电子,这些未配对电子在低温下能产生很强的磁场。同时,由于这些电子分布在靠近原子中心的轨道上,受到外界环境的干扰很小。这些特点让钬原子能产生很强并且稳定的磁场。但正是因为这些电子位于内层,观察确定它们的磁场极性反而变得十分困难。直到现在,还有很多物理学家怀疑能否真正确定钬原子的磁场极性。
 
  为了将数据写入一个钬原子上,研究人员需要找到一种方法控制并改变它的磁场极性。他们通过隧道显微镜的磁化尖端释放电流来控制钬原子的磁场极性。在测试过程中,钬原子磁子很稳定,能够在长达几个小时内保持自身磁场极性,并且研究人员从未观察到不受控制的磁极翻转。他们使用同一台隧道显微镜,通过施加不同的电流检测原子的磁性状态,从而读取存储的数据。
 
  为了进一步验证磁化尖端能准确地读出字节数据,研究团队与IMB的研究人员合作开发了第二种间接读取原子磁性状态的方法。他们在两个钬原子旁边镶嵌了一个铁原子,利用铁原子和钬原子的电子自旋共振(electron spin resonance, ESR),将铁原子的电学性质与两字节钬原子系统关联起来,把铁原子当做钬原子的磁性状态传感器。通过测量铁原子的电学性质,即可得到钬原子的磁性状态。研究团队发现,这种间接方法可以同时读取多个字节的磁性状态,因此实用性更强。并且,相对于使用隧道显微镜的方法,后者显然对钬原子系统的破坏小很多。
 
  用单原子作为磁性字节将极大地增加数据存储的密度,Natterer和他的同事正努力尝试制作更长的单原子磁子序列。就目前来说,单原子两字节存储离实际应用还很远。此外,另一种单原子存储技术,用原子的位置变化存储信息,而不是磁性状态,已经实现了1千比特(8192比特)的可读写存储空间。
 
  然而,单原子磁性存储系统的优点在于它能够兼容自旋电子器件,Otte说。这项利用原子磁性状态的新技术不仅可以用来存储数据,还可以代替电流在计算机中传递信息,同时这样的系统会更加节能。
 
  从目前来看,物理学家对研究单原子磁子还是劲头十足的。Natter现在计划观察一个三原子迷你磁子系统,其中它们的磁场是竞争关系,因此它们的磁极会持续翻转。“你可以把这些单原子磁子看做乐高积木,把它们放在一起就能形成磁性结构。”Natterer说。
 

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