原子也能存储数据
作者 :  本刊编辑部

  目前世界上最小的磁性数据储存单元仅由12个原子构成,整个字节可以被压缩在96个原子之中,存储体积大的缩小,是全球信息储存方面的一个巨大进步。它不是量子计算机,而是量子尺度上的一个计算机存储单元。相比之下,现代硬盘驱动记录一比特数据大概使用上百万原子,而记录一字节数据要使用5亿原子。
  到目前为止,人们仍不清楚需要多少原子才能构建一个稳定、持久的存储位――电脑能够理解的基础信息单元。美国IBM公司以及德国自由电子激光科学中心的研究人员决定从零开始,以单个原子为基础,构建一种磁性存储位。他们使用扫描隧道显微镜,对铁原子进行常规模式排列,6个一列。他们发现,两列就能稳定地储存一个比特,而8对这样的排列就能储存一个字节。
  实验中,数据是利用扫描隧道显微镜按比特写入和读取的,所以,这类存储位不可能很快就可以写入整合到硬盘。但是,IBM公司阿尔马登研究中心原子储存首席研究员Andreas Heinrich说,它将能回答一些经典力学体系的基本问题。Heinrich也是一篇介绍这种微型存储位的最新文章的作者。他的团队对这种量子力学到经典力学的过渡很感兴趣。
  Heinrich在采访中谈到:“如果面对单个原子,你就要用量子力学来描述它的行为。如果能将单原子体系不断放大,数个铁原子就开始‘相互交谈’,在达到一定临界点后,你就可以忽略它们的量子运动,仅将它们当做经典磁性结构来考虑。”实验证明,这个临界点大约是12个原子。
  “许多人认为,我一定会用量子力学体系去描述这些结构。这是最让我感到惊讶的事情。”Heinrich继续说道。
  在最小尺度上,量子效应会使储存信息模糊不清。Heinrich表示,举例来说,利用6个原子的存储位会转换磁性状态,从0到1,每秒大约1000次。这对于数据储存来说太过于频繁,不可用于存储数据。而8个原子则每秒转换状态1次。但是,12个原子就极少会转换其状态,可以用于储存数据,而外部磁场(在本文介绍的实验中,即扫描隧道显微镜)的影响会改变它们的状态。纳米磁体只能在5开尔文摄氏度或者零下450华氏摄氏度下保持稳定。
  该论文的另外一个突破就是,存储位的反磁性。这标志着反磁性首次被应用于数据储存。铁磁体在大部分现代数据存储和其他方面得以应用,它利用铁原子间的磁性相互作用,使所有原子朝一个方向排列。如此便创造出一个磁场,可以读取出来。
  然而,在最微型的尺度上,这种做法却成了一个问题。因为,紧密压缩的磁性存储位可以彼此相互作用,这成为人们降低数据储存系统尺度的限制。但是,新型的12原子存储位使用反磁性,原子以相反方向排列,这意味着它们以相反的方向旋转。Heinrich说,铁原子被氮原子隔离开来,利用扫描隧道显微镜诱导它们以不同方式旋转。这可以使它们之间压缩得更紧密一些,大大提高了储存密度。
  研究人员对存储位的磁性状态进行了5次转换,储存“think”这个单词的ASCII 码。“think”是“蓝色巨人”IBM公司的一个口号。
  Sebastian Loth是这篇论文的首席作者。他在2011年9月份离开IBM公司,到德国自由电子激光科学中心工作。他说,12原子存储位在量子尺度上对经典计算处理提出了很多新问题。
  Loth说道:“我们可以利用这个特性去研究,量子力学究竟是如何起作用的。是什么将量子磁体与经典磁体区分开来?在量子力学与经典力学的交界处,磁体特性如何?这些令人兴奋的问题很快就会有答案了。”
  撰稿:Rebecca Boyle
  

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