单原子存储器将是世界上最小的存储介质

（文章来源：环球创新智慧）

发表于《自然》杂志上的一项最新突破性研究显示：一个比特位的数字信息现在可以成功地存储于单个原子上。目前，市场上商用的磁存储设备需要大约一百万个原子才能完成同样的工作。韩国基础科学研究院（IBS）量子纳米科学中心新任主任 Andreas Heinrich 领导了这项研究，在美国的 IBM 阿尔马登研究中心发明。这项研究成为了存储介质小型化方向的重大突破，并且为未来的量子计算机奠定了基础。

一般来说，我们的电脑都是利用「表面覆盖以磁化金属层的磁盘」，以比特位（0或者1）的形式存储信息。一个磁化方向代表比特0，另外一个方向代表比特1。目前，在磁盘上的一小块区域，就有差不多一百万个原子，对应于每个数字比特的信息。对于这项技术具有突破性的创新，它超越了目前的研究，利用最少量的物质：原子，达到存储数字信息的目的。

位于氧化镁基底上的钬(Ho)和铁(Fe) 原子，成为了世界上最小的存储器件的组件。Ho 作为存储媒介，Fe作为传感器。钬原子的磁性可以通过STM设备流出的电流来改变或者读取。下面我们来具体看看这项突破性创新的几个构成要素：媒介，这项所用的存储媒介是钬原子，用于存放比特信息。工具，研究中使用到了一种很易见的工具，该工具称为“扫描式隧道显微镜”(STM)。它能让用户观察和移动单个原子，同时对它们施加电流脉冲。

电流脉冲改变单个钬原子的磁化方向，这样一来，研究团队就可以利用单个钬原子向存储器写入1或者0。传感器，Heinrich 团队也设计了一种「量子传感器」，目前在全世界范围内是独一无二的。它可用于读取以钬原子形式存储的存储器。他们在钬原子附近放置了一个铁原子。研究人员使用这项技术，加上另外一种「隧穿磁阻」的技术，观察到钬在几小时内稳定地保持同样的磁状态。

那么，当 Heinrich 团队进一步尝试用两个钬原子取代一个钬原子的方案时，他们又有了另外一个惊喜的发现：以1纳米的距离放置两个钬原子，并不影响他们各自存储信息的能力。这确实是一个惊喜，因为一般来说，每个原子产生的磁场可能会影响相邻的原子。

这样一来，科学家就可以构建两比特的设备，具有四种可能的状态：1-1、0-0、1-0 、0-1 。铁传感器能够清楚地对它们加以区分。两比特存储设备(a) 铁原子位于两个钬原子附近。(b)铁原子的电子自旋谐振信号，由于两个钬原子磁性不同而不同。铁原子可以区分出四种存储配置：下下( 0-0), 下上 (0-1), 上下 (1-0), 上上 (1-1)。

「摩尔定律指出每18个月，集成电路上的晶体管密度可翻一倍。」这几十年来，半导体产业的发展证明了这一定律。最新的电子设备比之前的会更小，更强大。然而，随着设备变得越来越小，因为原子相互靠近，会产生新的量子干扰特性，从而引发问题。为了这种小型化的趋势似乎无法长久维系，专家们开始讨论摩尔定律的死亡。

有兴趣的是，钬原子似乎可以逃脱这一魔咒，但是目前原因尚不明。Heinrich 指出，钬原子的磁性可以通过STM设备流出的电流来改变或者读取。钬原子可以非常紧密地排列在一起，所以使用单原子技术，存储密度会变得很高。Heinrich 评论说：

“我们希望根据我们的想法，精确地控制单个原子，从而进行量子纳米科学领域新的探索。这项研究将促进商业存储媒介领域的创新，使得存储设备更加小型化。”Heinrich 是世界上为数不多地使用这个工具测量改变单个原子属性的科学家之一。他希望在新创建的首尔梨花女子大学IBS研究中心，继续拓展这一研究。