Цивилизация
Совместная исследовательская группа IBM и немецкого Центра лазеров на свободных электронах (CFEL) сконструировала самую маленькую в мире ячейку магнитной памяти, использовав всего 12 атомов для записи одного бита — базовой единицы информации. Для записи минимально адресуемого набора данных — одного байта, состоящего из 8 бит, было использовано восемь таких ячеек, или 96 атомов. Для сравнения, на запись одного байта жесткие диски, эксплуатируемые в современных компьютерах, «расходуют» около полумиллиарда атомов.
Создать самую миниатюрную ячейку памяти удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в исследовательском центре IBM Алмаден, расположенном в Сан-Хосе (Калифорния, США). СТМ — разновидность сканирующего микроскопа, в котором к образцу на расстояние несколько ангстрем подводится тончайшая металлическая игла (зонд). При подаче на иглу небольшого электрического потенциала носители заряда проникают через тонкую оксидную пленку, отделяющую токопроводящий образец от острия, и между зондом и образцом возникает туннельный ток.
Регистрируя изменение тока, можно считывать рельеф поверхности с разрешением вплоть до отдельных атомов.
Зонд СТМ, позволяющий не только регистрировать, то также изменять магнитные свойства проводника на уровне узлов кристаллической решетки, был использован в качестве считывающего и записывающего устройства, носителем же информации выступили атомы железа, сгруппированные на подложке из нитрида меди в двухрядные блоки по шесть атомов в каждом ряду.
Игла СТМ, на которую подается потенциал, может менять магнитную конфигурацию такого блока (при этом двум её возможным вариантам ставятся в соответствие «единица» или «ноль»). Считывать конфигурацию можно, подавая на иглу более слабый импульс. Восемь таких блоков, или однобайтный домен, занимают площадь 4Х16 нм, что в сотни раз меньше, чем байтные блоки на поверхности современных жестких дисков.
Магнитики из 12 атомов демонстрируют предсказуемое изменение магнитной конфигурации при температуре 5 Кельвинов (минус 268 градусов по Цельсию), но авторы статьи рассчитывают, что вскоре удастся достичь устойчивого поведения магнитных доменов из 200 атомов уже при комнатной температуре.
Как бы то ни было,
сложная технология СТМ, криогенные установки и низкотемпературные режимы, ограничивающие применение нанопамяти стенами лабораторий, никого смущать не должны.
Так, практическая значимость эффекта гигантского магнитосопротивления, открытого в конце 1980-х годов с помощью громоздких и сложных установок молекулярно-лучевой эпитаксии, позволявших получать многослойные пленочные структуры нанометровой толщины в условиях сверхвысокого вакуума, тоже стала ясна не сразу и лишь через 15 лет произвела настоящую революцию в индустрии компьютерной памяти, позволив конструировать жесткие диски со сверхвысокой плотностью записи, которыми все сейчас успешно пользуются, а также экспериментальные чипы на основе магниторезистивной памяти (MRAM), которым прочат большое будущее.
В отличие от гигантского магниторезистивного эффекта, за открытие которого получили Нобелевскую премию по физике коллективы сразу двух лабораторий, возможность считывания и записи информации с помощью СТМ и атомных магнитных доменов, продемонстрированная IBM и CFEL, пока не связана с открытием какого-то нового фундаментального эффекта. Также не является новой и сама идея использовать для записи/считывания сканирующий туннельный микроскоп.
А вот использование авторами такого экзотичного феномена, как антиферромагнетизм, для создания самого миниатюрного устройства памяти можно действительно назвать новаторским.
В антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу, что позволило уменьшить размер отдельного намагниченного участка до рекордных 12 атомов, не опасаясь за магнитное взаимодействие с соседними атомами внутри проводника. Внутри классических ферромагнетиков, используемых в жестких дисках, размер минимально устойчивого магнитного пятна составляет уже несколько сотен миллионов атомов, и его дальнейшее уменьшение невозможно, так как вероятность распадения домена экспоненциально увеличивается.
По сути группа IBM-СFEL опытным путем установила предельно минимальный размер электромагнитного устройства памяти, работа которого еще описывается законами классической электродинамики. Уменьшать его дальше, оставаясь в пределах классической теории, невозможно: в действие вступают квантовые эффекты, размывающие хранимую в ячейках информацию. И это еще один важный результат эксперимента:
самую миниатюрную атомную ячейку памяти можно использовать как удобный испытательный полигон для контролируемого перехода от классической к квантовой электронике и обкатке смешанных классическо-квантовомеханических устройств памяти.
Именно с последними связывают дальнейший прогресс в миниатюризации устройств хранения информации, начавшийся с использования гигантского магниторезистивного эффекта в считывающих головках современных жестких дисков, когда дальнейшее уплотнение информации на ферромагнитных носителях считалось уже физически невозможным. Возможно, антиферромагнетики произведут еще одну революцию в миниатюризации устройств электронной памяти, так как чисто квантовые устройства памяти остаются пока делом весьма отдаленного будущего.