Физики из Делфтского технологического университета смогли независимо управлять двумя различными типами магнетизма в атоме. Фактически такое влияние дает возможность хранить в одном-единственном атоме два бита информации. Статья об этом опубликована в издании NPJ Quantum Materials.

Магнетизм атома — результат вращения его электронов вокруг ядра. Такое вращение может быть двух типов.

«Сравните с Землей, вращающейся вокруг Солнца, — приводит пример Сандер Отте, руководитель исследования. — С одной стороны, она вращается вокруг Солнца, что обуславливает годовые циклы. Также Земля вращается вокруг своей оси, что приводит к чередованию дня и ночи».

Электрон подобным образом вращается как вокруг атомного ядра, так и вокруг собственной условной оси. Соответственно, у этой частицы есть два угловых момента: орбитальный, обусловленный движением по ядерной орбите и спиновый, который зависит от вращения частицы вокруг своей оси.

Каждое из этих движений в принципе можно использовать для хранения информации. Например, орбитальное вращение может происходить по или против часовой стрелки. Таким образом, эти два направления могут представлять значения двоичной системы — 0 и 1. Аналогично обстоит ситуация со спиновым вращением. Теоретически это дает возможность хранить в одном атоме сразу два бита информации.

«На практике, однако, это довольно сложно, — объясняет Сандер Отте. — Если вы меняете направление орбитального вращения на противоположное, спин тоже почти всегда изменяется при этом».

Исследование, проведенное в Делфтском университете, открыло возможность для управления орбитальным вращением частицы, не влияя на ее спин. Этот феномен связан с так называемым эффектом Эйнштейна — де Хааза — Ричардсона, который состоит в том, что ферромагнетик при намагничивании вдоль некоторой оси приобретает относительно нее вращательный импульс, пропорциональный приобретенной намагниченности. Таким образом, изменение направления орбитального движения атома может быть скомпенсировано намагничиванием куска металла, в котором этот атом находится.

(А) Топография атомов железа на поверхности Cu₂N / Cu₃Au. (B) Вид сбоку и сверху на геометрию связывания атома Fe (красный) c атомом N (синий) на поверхности Cu2N / Cu3Au (коричневым цветом показаны атомы меди, желтым — атомы золота). (С) Расчетная положительная (красный цвет) и отрицательная (синий цвет) спиновая плотность электронов.

Для манипуляций в своей работе ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп: в нем на атомы воздействует сверхтонкая игла, на которую подается небольшой электрический потенциал. Обычно каждый атом ферромагнетика вступает в контакт с несколькими соседними атомами, что усложняет манипуляции. В новом исследовании физики достигли идеального разделения между орбитальным и спиновым вращением, поместив атом железа при помощи иглы микроскопа точно поверх единичного немагнитного атома азота в нитриде двухвалентной меди (Cu₂N) или аурикуприде (Cu₃Au). Возможность хранить по несколько битов в отдельных атомах увеличила бы текущую максимальную емкость памяти во много раз.

Однако Отте предупреждает, что до коммерческого атомарного хранения данных еще далеко: «Главный результат в том, что мы сделали еще один шаг вперед в нашей способности контролировать атомы и даже электроны, вращающиеся вокруг них. Это прекрасно само по себе».