IBM成功在一顆原子中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：信用卡大小存儲(chǔ)iTunes所有3500萬(wàn)首歌曲

由多名專(zhuān)業(yè)人員組成的國(guó)際化科研團(tuán)隊(duì)近日成功打造了全球最小的磁體——獨(dú)立的原子，并演示在未來(lái)可能利用該磁體來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

而在這項(xiàng)研究成果公布之前，業(yè)界普遍認(rèn)為分子是最小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。為了更形象的說(shuō)明這項(xiàng)研究成果的意義，你可以想象成這樣：一個(gè)原子存儲(chǔ) 1 bit，那么不到一張信用卡大小的設(shè)備能夠完全存儲(chǔ) iTunes 音樂(lè)庫(kù)中的所有 3500 萬(wàn)首歌曲。目前該項(xiàng)目由 IBM 研究院艾曼登研究中心（IBM Research -Almaden）和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的團(tuán)隊(duì)共同帶領(lǐng)。

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

通過(guò)超級(jí)尖的探針掃描物體表面，當(dāng)探針上的鐵原子產(chǎn)生反應(yīng) STM 就能測(cè)量?jī)烧咧g的隧道電流，從而能夠更直觀的測(cè)量單個(gè)原子的磁場(chǎng)，且靈敏精準(zhǔn)度要比其他方式更高。

目前科學(xué)家通過(guò)最新研發(fā)的鐵原子傳感器，已經(jīng)成功檢測(cè)到鈥原子的磁場(chǎng)。這主要是因?yàn)樽鳛榈厍蛭刂唬€原子具備極高的磁性。同此前研發(fā)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(tái) STM 同時(shí)對(duì)鈥原子的磁極進(jìn)行讀取和操作。

通過(guò)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(shù)字邏輯中存儲(chǔ)多個(gè) 0 和 1。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，科學(xué)家完全能夠?qū)㈣F原子當(dāng)作 ESR 傳感器，配合 STM 的操作已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能夠在單個(gè)原子上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)方式。

在《自然》（Nature）上發(fā)表的最新研究顯示，科研人員發(fā)現(xiàn)可以在鈥原子的納米范圍內(nèi)放置一個(gè)鐵原子，通過(guò)電流將鈥原子的南北磁極進(jìn)行對(duì)調(diào)的情況下鐵原子并不會(huì)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(shù)字邏輯中代表 0 和 1）。

因?yàn)殍F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(chuàng)建磁性存儲(chǔ)，是當(dāng)前固態(tài)硬盤(pán)和機(jī)械硬盤(pán)存儲(chǔ)芯片密度的 1000 多倍。

在下方的視頻中，提供了一些關(guān)于 STM 的發(fā)展歷史以及工作原理，在最新研究成果中，它能夠成為單個(gè)原子讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的重要輔助工具。

通過(guò)對(duì)這些獨(dú)立原子的重新排列可以構(gòu)建出非常合理的三層漢堡型讀寫(xiě)存儲(chǔ)系統(tǒng)：頂部為這些帶有磁性的原子，中間使用氧化鎂襯底充當(dāng)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(chǎng)范圍等復(fù)雜環(huán)境中也能長(zhǎng)時(shí)間的保持極性，從而通過(guò)附著在氧化鎂表面成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想媒介。

當(dāng) STM 的探針對(duì)鈥原子引入電流，那么原子的南北極就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn) 0 和 1 之間的相互轉(zhuǎn)換。這個(gè)步驟或多或少的對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)中的「寫(xiě)入」操作。

而「讀取」操作主要利用鐵原子檢測(cè)是否存在「Precess」（進(jìn)動(dòng)/旋進(jìn)）現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)當(dāng)前鈥原子的磁極狀態(tài)。當(dāng)其中原子在磁場(chǎng)中處于為成對(duì)的電子自旋中，它們就會(huì)以某種特定頻率圍繞著磁場(chǎng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這個(gè)頻率取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度和原子的磁矩，也就是這個(gè)原子的磁力強(qiáng)度。

科研人員為顯微鏡部署了一個(gè)磁場(chǎng)，然后向 STM 的隧道接合處輸送高頻電壓。當(dāng)電壓頻率同旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)同步之后，旋轉(zhuǎn)就不會(huì)收到熱平衡（同磁場(chǎng)對(duì)齊）的影響。由于掃描頻率相同，STM 探針上的鐵傳感器在相應(yīng)方向就會(huì)檢測(cè)到變化，在諧振頻率中能夠檢測(cè)到隧道電流的明顯變化。這個(gè)諧振頻率會(huì)受到附近的磁性原子的影響而發(fā)生移動(dòng)。

本周早些時(shí)候在接受 IEEE Spectrum 采訪(fǎng)中，艾曼登研究中心的科學(xué)家 Chris Lutz 解釋道：「這項(xiàng)科研項(xiàng)目的原理和磁共振成像相同，只是我們檢測(cè)電子進(jìn)動(dòng)而并不是核進(jìn)動(dòng)，而且通過(guò)移動(dòng)探針我們能夠訪(fǎng)問(wèn)我們感興趣的某一個(gè)特定原子，而不是數(shù)十億個(gè)。」

Lutz 謹(jǐn)慎的表示近期并不期望這項(xiàng)技術(shù)會(huì)替代常規(guī)的機(jī)械硬盤(pán)存儲(chǔ)。想要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)需求，為了讓這些電子保持活動(dòng)活性必須要保持 4 開(kāi)爾文（零下 269.15 攝氏度）的韓靜下，對(duì)于時(shí)刻放在口袋中的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)這顯然是不可能的。除此之外，還需要相當(dāng)繁瑣的科學(xué)和工程措施才能確保整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)真正運(yùn)行。

Lutz 和他的團(tuán)隊(duì)非常明確這項(xiàng)研究成果在未來(lái)將會(huì)擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。事實(shí)上早在幾年前，由于當(dāng)時(shí)的 STM 設(shè)備無(wú)法利用觀察磁性原子的電子結(jié)構(gòu)，科研團(tuán)隊(duì)只能對(duì)此類(lèi)磁性原子望洋興嘆。

但是現(xiàn)在，這種帶獨(dú)立鐵原子的全新 ESR 傳感器的發(fā)明讓未來(lái)充滿(mǎn)了無(wú)限可能。對(duì)于能夠掀起新型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)浪潮，現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。但是朝著這個(gè)方向發(fā)展的進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)將會(huì)帶來(lái)更多的突破性成果。

via IEEE Spectrum