Автор: Олег Сивченко. Ранее я рассматривал в этом блоге возможные варианты завершения или продолжения закона Мура. Эта тема активно обсуждается на Хабре и за его пределами. В частности, уважаемый Юрий Парфёнов @YuriParfenov опубликовал статью о законе Хуанга, который точнее, чем закон Мура, описывает развитие аппаратного обеспечения. Уважаемый Валерий Истишев @istishev в одной из статей 2021 года подробно описал, с какими нюансами закон Мура продолжает работать сегодня.

Наиболее очевидный способ компенсировать замедление закона Мура – распараллелить вычисления, о чём, в частности, рассказывает уважаемый Александр Якубович @ragequit в этой статье. Но вместе с потребностью в увеличении вычислительных мощностей растёт и потребность в компактных хранилищах данных, обладающих высокой доступностью. Ниже мы рассмотрим, как в таком качестве могут помочь одноатомные магниты, и как сравнительно недавно научились их создавать.

По объективным причинам, описанным, в частности, в книге «Информация Джеймса Глика, архитектура компьютера получилась фундаментально двоичной. Единица информации — это бит, который можно представить в виде переключателя, а он всегда находится в одном из двух состояний: «вкл.» или «выкл.», «1» или «0». При этом, именно двоичная архитектура хорошо согласуется с элементарными состояниями атомов или магнитов. В атомах металлов — десятки электронов, а у каждого электрона есть свойство, называемое «спин». Спин электрона может быть только верхним или нижним, поэтому, если научиться его переключать, электрон превращается в мельчайшую вычислительную единицу, а атом — в хранилище таких единиц. Именно эта базовая идея легла в основу спинтроники (спиновой электроники); по видимому, этот термин был впервые употреблён в 1998 году в знаменитой лаборатории «Bell Labs».

В настоящее время спинтроника постепенно превращается из фундаментальной науки в прикладную, занятую, в частности, разработкой жёстких дисков. Важнейшее направление спинтроники — получение тончайших магнитных плёнок, так как каждый атом в такой плёнке потенциально может служить запоминающим или вычислительным устройством. Любой магнит также двоичен на фундаментальном уровне, поскольку имеет ровно два полюса; меняя поляризацию магнита, его можно переключать из «0» в «1» и наоборот. Следовательно, одноатомные магниты и решётки таких магнитов потенциально могли бы преобразить информатику и хранение данных.

О миниатюризации накопителей

Магнитные диски и ленты в принципе стали использоваться для хранения информации, как как магнит обладает одновременно силой и памятью. Наиболее распространённые магнитные материалы — это ферромагнетики, но в конце XX века стало известно, что многие лантаноиды, в частности, неодим и сравнительно дешёвый гольмий, также хорошо подходят для создания постоянных магнитов.

Все современные магнитные носители данных, в частности, изображённый здесь винтажный IDE диск, конструируются по «нисходящему» принципу.

При изготовлении блинов диска слой за слоем накладывается ферромагнитный материал, и в каждом слое имеются магнитные домены, в которых и содержатся данные. Такой домен представляет собой совокупность намагниченных атомов, полярность которых задаёт считывающая (записывающая) головка жёсткого диска. Соответственно, от полярности домена в момент прохода головки зависит двоичное представление данных (0 или 1). Такая магнитная память на уровне доменов сохраняется благодаря взаимодействию доменов с соседними атомами.

Альтернативный «восходящий» принцип предполагает сборку накопителей с нуля: отдельные атомы или молекулы укладываются друг за другом, и в каждой молекуле/каждом атоме можно хранить один бит информации. Одноатомные или одномолекулярные запоминающие единицы, в отличие от доменов, работают и без коммуникации с окружением, так как запоминание информации в них — это квантовомеханический эффект. Поскольку современные магнитные домены значительно крупнее отдельных атомов, переход к восходящему принципу позволяет очень сильно увеличить плотность данных и, соответственно, уменьшить накопители современной ёмкости до микроскопических размеров.

Первые одномолекулярные магниты (SMM) были продемонстрированы в виде металл ионных кластеров в 1993 году французскими и итальянскими специалистами из университетов Флоренции и Гренобля, после чего и начался поиск одноатомных магнитов.