Udało się zapisać dane w pojedynczym atomie!

Największy dysk, jaki do tej pory zbudowano na świecie, ma imponującą pojemność 60 terabajtów. Już wiadomo, że to tylko przystanek, a nie kres możliwości. Naukowcom z działu badawczego firmy IBM udało się zapisać dane w pojedynczym atomie.

This slideshow requires JavaScript.

Współczesne dyski twarde już od dość dawna wykorzystują zjawiska wymykające się newtonowskiej fizyce. Do zapisu danych wykorzystują dobrodziejstwa kwantowego efektu tunelowego, a precyzyjniej magnetoopór tunelowy (TMR)*. By zapisać jeden bit informacji (0 lub 1) potrzebują ok. 100 000 atomów umieszczonych na powierzchni dysku. Eksperyment przeprowadzony przez IBM Research sprowadza ten proces do pojedynczego atomu. Brzmi jak fantastyka naukowa, ale jest faktem i oznacza, że w niedalekiej przyszłości na dysku wielkości karty kredytowej zmieści się 35 000 000 piosenek, jakie ma w swoich archiwach Spotify czy iTunes.

Jak to możliwe?

Atom holmu widziany przez skaningowy mikroskop tunelowy (zdjęcie: IBM Research)

Eksperyment opisany w zeszłym tygodniu w prestiżowym magazynie Nature polegał na potraktowaniu dwóch atomów holmu (Ho, pierwiastek należący do grupy metali ziem rzadkich) umieszczonych na podłożu z tlenku magnezu, jako najmniejszych na świecie magnesów. Naukowcy, korzystając ze skaningowego mikroskopu tunelowego (wynalezionego przez inżynierów IBM-a i nagrodzonego nagrodą Nobla w 1986 roku), „przyłożyli” do pojedynczego atomu napięcie o wartości 150 mV i natężeniu 10 pA. Te minimalne wartości wystarczyły, by zmienić spin elektronów krążących wokół jądra atomu holmu, a wraz z nim jego moment magnetyczny. Takiej procedurze poddane zostały dwa umieszczone obok siebie atomy Ho. Pozwoliło to na zapisanie czterech dwubitowych kombinacji: 00, 01, 10 i 11, które odczytywane były również za pomocą mikroskopu tunelowego.

“Cerberem” doświadczenia stał się umieszony obok „atomowych magnesów” atom żelaza. On sam nie był poddawany operacji „zapisu”, ale posłużył jako swego rodzaju „kontrolka”. Właściwości fizyczne atomu żelaza ulegały zmianie w zależności od stanów magnetycznych, jakie przybierały atomy holmu.

Eksperyment pokazuje, że dwa atomy umieszczone w odległości 1 nm (jeden nanometr to 1/1 000 000 cześć szerokości główki szpilki) od siebie mogą w przyszłości pozwolić na stworzenie magnetycznych dysków twardych, mających 1000 razy większą gęstość niż te dostępne obecnie na rynku.

Jednak droga do tego, by np. w laptopie zamienić 1-terabajtowy dysk jego „atomowym” odpowiednikiem o pojemności 1000 TB, jest jeszcze daleka. Ot choćby dlatego, że atom holmu musiał zostać schłodzony ciekłym helem i zamknięty w ekstremalnej próżni.

* Magnetoopór tunelowy (TMR) – na czym polega? W wielkim uproszczeniu głowica namagnesowuje znajdujący się pod nią obszar dysku i tym samym zapisuje pojedyncze bity informacji, czyli zera i jedynki. Pierwotnie odczyt danych polegał na zamianie znajdującego się tuż pod głowicą pola magnetycznego na prąd elektryczny, tak jak to miało miejsce w starych dyskach czy kasetach magnetofonowych. Niestety taka głowica była stosunkowo duża i wymagała do zapisania jednego bitu sporej powierzchni (pierwszy dysk twardy, IBM 350 RAMAC, który ujrzał światło dzienne w 1956 roku, mieścił 100 bitów/cal). Dopiero wykorzystanie w latach 90. XX wieku zjawiska magnetooporności, czyli odczytywania przez głowice oporności namagnesowanego obszaru dysku, zmieniło całą sytuację, by dziś dojść do poziomu pojedynczego atomu.

Wideo: IBM Research, Zdjęcia: IBM Research on Flickr
Autor jest dziennikarzem Magazynu Komputerowego CHIP