世界上最小的内存位仅使用 12 个原子来存储数据

世界上最小的磁性数据存储单元仅由 12 个原子组成，将整个字节压缩到仅 96 个原子中，这在信息存储领域是一个显著的缩减。它不是量子计算机，但它是量子级的计算机存储单元。相比之下，现代硬盘驱动器使用大约一百万个原子来存储单个位，每个字节使用五亿个原子。

到目前为止，还不清楚需要多少（或多少）原子来构建一个可靠、持久的存储位，这是计算机理解的基本信息。IBM 和德国自由电子激光科学中心的研究人员决定从头开始，逐个原子构建磁性存储位。他们使用扫描隧道显微镜创建了铁原子的规则图案，每行六个。他们发现两行足以安全地存储一个位，八对行足以存储一个字节。

数据是使用 STM 写入和读取这些比特的——因此这种类型的比特不会很快被集成到硬盘中。但它回答了一些关于经典机械系统本质的基本问题，IBM 阿尔马登研究中心原子存储首席研究员、一篇描述这种微小比特的新论文的作者 Andreas Heinrich 说。他说，该团队对从量子行为到经典行为的转变很感兴趣。

“如果你拿一个原子来说，在描述它的行为时，你必须考虑量子力学，”他在一次采访中说。“随着系统变得越来越大，几个铁原子开始相互交流，在某个点上，你可以忽略所有这些量子行为，而只是把它们看作一个经典的磁结构。”事实证明，这个点大约有 12 个原子那么大。

“许多人会预料到必须使用量子力学系统来描述这些结构，”海因里希说。“这对我来说是最令人惊讶的事情。”

在最小尺度上，量子效应会模糊存储的信息。海因里希说，使用六个原子的比特每秒会切换磁状态（从“0”切换到“1”）约 1,000 次，这太频繁了，无法用于数据存储。八个原子每秒切换一次状态。但 12 个原子切换状态的频率很低，不足以用于存储 - 相反，外部磁力（在本例中为 STM）会改变它们的状态。纳米磁体仅在寒冷的 5 开尔文（即 -450 华氏度）下稳定。

本文的另一个突破是数据位的反铁磁性——这是反铁磁性首次用于存储数据。铁磁体用于大多数现代数据存储和其他应用，它利用铁原子之间的磁相互作用将所有原子排列在一个方向上。这会产生一个可以读出的磁场。然而，这在最小的尺度上会成为一个问题，因为紧密堆积的磁性数据位会相互干扰——这限制了数据存储系统的小型化。但这种新的 12 原子数据位采用反铁磁性——原子排列在相反的方向，这意味着它们以交替的方向旋转。Heinrich 说，铁原子被氮原子隔开，并通过 STM 诱导以不同的方式旋转。这使得它们可以更紧密地堆积在一起，大大增加了存储密度。

研究人员将该比特的磁性状态切换了五次，以存储“思考”（蓝色巨人的口号之一）这个词的每个字母的 ASCII 码。

塞巴斯蒂安·洛斯 (Sebastian Loth) 四个月前离开 IBM 加入 CFEL，也是该论文的主要作者，他表示 12 原子比特为量子尺度上的经典计算提出了许多新问题。

“我们现在可以利用这种能力来研究量子力学是如何发挥作用的。量子磁体与经典磁体有什么区别？磁体在两个世界的边界上会如何表现？这些都是令人兴奋的问题，很快就能得到解答，”他说。

该论文发表在本周的《科学》杂志上。