稀土元素製成單原子硬碟，或將存儲密度提高1000倍

撰文 Elizabeth Gilbney

翻譯 龔聰

把一塊磁鐵一分為二，它就變成了兩塊小磁鐵。再分割一次，就成了4塊。但當磁鐵越來越小時，它們的磁場就沒那麼穩定了：磁極會來回翻轉。現在，物理學家能夠把單原子變成了穩定的磁子。

洛桑蘇黎世聯邦理工學院的物理學家FabianNatterer和他的研究團隊今年在《自然》上發表論文，表示用鈥單原子磁子製作出原子硬碟。這個原子硬碟包含兩個鈥單原子磁子，只能存儲2位元組的數據。Natterer認為，這種硬碟規模擴大後能把硬碟的存儲密度提高1000倍。

荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Sander Otte評論說：「這是一項了不起的成就，他們終於在單原子身上實現了磁場穩定性。」

來源：Pixabay

普通的數據硬碟包含很多磁化區域，每個磁化區域就像一小條磁棒，它們的磁場方向可以朝上也可以朝下。磁場方向代表1或0，也就是數據單元——比特。這些磁化區域越小，數據的存儲密度也就越高。但是要確保磁化區域是穩定的，這樣它們代表的1和0才不會發生錯誤的變化。

目前市面上的存儲設備需要用一百萬個原子來表示比特單元。但是，物理學家在實驗室里已經把表示1比特數據所需的原子大大減少：從2012年Loth S. 等人使用12個原子到今天只需要一個原子。

Natterer和他的團隊用的是稀土元素鈥（Ho, 67號元素）。他們將鈥原子放在氧化鎂板上，置於低於5開爾文溫度的環境下。

研究人員選擇鈥原子作為單原子存儲材料的原因是，鈥原子有很多未配對電子，這些未配對電子在低溫下能產生很強的磁場。同時，由於這些電子分布在靠近原子中心的軌道上，受到外界環境的干擾很小。這些特點讓鈥原子能產生很強並且穩定的磁場。但正是因為這些電子位於內層，觀察確定它們的磁場極性反而變得十分困難。直到現在，還有很多物理學家懷疑能否真正確定鈥原子的磁場極性。

為了將數據寫入一個鈥原子上，研究人員需要找到一種方法控制並改變它的磁場極性。他們通過隧道顯微鏡的磁化尖端釋放電流來控制鈥原子的磁場極性。在測試過程中，鈥原子磁子很穩定，能夠在長達幾個小時內保持自身磁場極性，並且研究人員從未觀察到不受控制的磁極翻轉。他們使用同一台隧道顯微鏡，通過施加不同的電流檢測原子的磁性狀態，從而讀取存儲的數據。

鐵原子是鈥原子的磁性狀態感測器 來源：Nature

為了進一步驗證磁化尖端能準確地讀出位元組數據，研究團隊與IMB的研究人員合作開發了第二種間接讀取原子磁性狀態的方法。他們在兩個鈥原子旁邊鑲嵌了一個鐵原子，利用鐵原子和鈥原子的電子自旋共振（electron spin resonance, ESR），將鐵原子的電學性質與兩位元組鈥原子系統關聯起來，把鐵原子當做鈥原子的磁性狀態感測器。通過測量鐵原子的電學性質，即可得到鈥原子的磁性狀態。研究團隊發現，這種間接方法可以同時讀取多個位元組的磁性狀態，因此實用性更強。並且，相對於使用隧道顯微鏡的方法，後者顯然對鈥原子系統的破壞小很多。

原子和空格組成的位元組 來源：TU Delft

用單原子作為磁性位元組將極大地增加數據存儲的密度，Natterer和他的同事正努力嘗試製作更長的單原子磁子序列。就目前來說，單原子兩位元組存儲離實際應用還很遠。此外，另一種單原子存儲技術，用原子的位置變化存儲信息，而不是磁性狀態，已經實現了1千比特（8192比特）的可讀寫存儲空間。

然而，單原子磁性存儲系統的優點在於它能夠兼容自旋電子器件，Otte說。這項利用原子磁性狀態的新技術不僅可以用來存儲數據，還可以代替電流在計算機中傳遞信息，同時這樣的系統會更加節能。

從目前來看，物理學家對研究單原子磁子還是勁頭十足的。Natter現在計劃觀察一個三原子迷你磁子系統，其中它們的磁場是競爭關係，因此它們的磁極會持續翻轉。「你可以把這些單原子磁子看做樂高積木，把它們放在一起就能形成磁性結構。」Natterer說。

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