Достигнут еще один предел миниатюризации запоминающих устройств: американским и немецким физикам удалось записать и считать информацию с магнитной ячейки размером в 12 атомов, использовав феномен антиферромагнетизма.

Специалистам из IBM и германского научного центра CFEL впервые удалось использовать особую форму магнетизма – антиферромагнетизм для хранения данных.

В отличие от обычных накопителей на базе ферромагнитных материалов, в антиферромагнетике спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, так что весь материал в целом получается магнитно нейтральным.

Благодаря этому ряды атомов, создаваемые для записи отдельных битов, можно размещать вплотную друг к другу (на расстоянии одного нанометра) без перекрёстных магнитных помех, способных влиять на соседние биты, объясняет PhysOrg.com.

Авторы этой работы решили проверить, насколько сильно можно сократить компоненты магнитного запоминающего устройства. Но вместо постепенного уменьшения размера ячейки они выбрали противоположный подход – начали с одного атома на подложке и постепенно наращивали их число, чтобы «попасть в область классической физики».

Для создания системы атомов и измерения их параметров использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) исследовательского центра 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.

Рис. 1. Атомарно точная сборка антиферромагнетика при помощи наконечника сканирующего туннельного микроскопа. Атомы железа (зелёный цвет) размещаются на подложке из нитрида меди и связываются двумя атомами азота (синие стержни) в регулярном порядке, разделённые одним атомом меди (жёлтый цвет) (иллюстрация Sebastian Loth/CFEL).

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.

Выяснилось, что всего 12 атомов достаточно для надёжной записи одного бита, а 96 атомов, соответственно, для одного байта. При меньшем размере ячейки квантовые эффекты ещё влияют на хранимую информацию, говорят учёные.

Один бит экспериментаторы составили из пары рядов по шесть атомов железа каждый. Байт был получен совмещением восьми таких блоков. Причём он занял площадку 4 на 16 нанометров, что соответствовало плотности хранения данных, в сто раз большей, чем в жёстких дисках.

Рис. 2. Закодированное в ASCII слово think («думать»), представленное пятью снимками одного 96-атомного байта, находящегося в разных состояниях (фото IBM).

Созданная система показала, что способна хранить данные в течение нескольких часов, правда, только при температуре 5 кельвинов. Но авторы работы полагают, что аналогичные комплексы из 200 атомов будут стабильными 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. И хотя ещё потребуется время, чтобы от подобных опытов можно было перейти к созданию практически пригодных атомарных запоминающих устройств, исследователи считают, что их работа выходит далеко за рамки существующих технологий хранения данных.

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.

Как говорят сами учёные,

они научились контролировать квантовые эффекты в такой системе, подбирая размер и форму рядов атомов. А это поможет лучше понять, чем отличается квантовый магнит от классического.

Именно с антиферромагнетиками 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.

Результаты работы опубликованы в статье:

Sebastian Loth, Susanne Baumann, Christopher P. Lutz, D. M. Eigler, Andreas J. Heinrich Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. – Science 13 January 2012: Vol. 335. – no. 6065. – pp. 196–199; DOI: 10.1126/science.1214131.