銅原子磁性記憶體突破儲(chǔ)存極限

 記憶體技術(shù)的每一次創(chuàng)新都源于基礎(chǔ)研究。IBM Research的研究團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，能夠控制單個(gè)銅原子的磁性，從而為以單個(gè)原子核進(jìn)行儲(chǔ)存和處理資訊的未來(lái)鋪路。不過(guò)，該技術(shù)要能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。

在最近發(fā)佈于《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)雜志上的一篇論文中，IBM Research科學(xué)家Christopher Lutz和Kai Yang描述如何透過(guò)逐一的原子執(zhí)行核磁共振(NMR)，從而控制單個(gè)原子核的磁性。核磁共振是確定分子結(jié)構(gòu)的重要工具，而Lutz和Yang的研究成就在于首次使用掃描穿隧顯微鏡(STM)實(shí)現(xiàn)核磁共振。STM是IBM獲得諾貝爾獎(jiǎng)的一項(xiàng)發(fā)明，可用于個(gè)別觀察和移動(dòng)原子。

Lutz在接受《EE Times》電話採(cǎi)訪時(shí)解釋：「我們正展開(kāi)奈米技術(shù)的基礎(chǔ)研究，期望克服個(gè)別原子級(jí)的極限。由于使用了掃描穿隧顯微鏡技術(shù)，使我們第一次可以在看到原子并為其重新定位的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

STM技術(shù)讓研究人員打造從原子開(kāi)始的結(jié)構(gòu)，并為其進(jìn)行測(cè)試，使其得以瞭解採(cǎi)用自旋共振技術(shù)未來(lái)可以或想要打造什么。

掃描穿隧顯微鏡(STM)技術(shù)

STM還可以對(duì)每個(gè)原子進(jìn)行成像和定位，以研究NMR如何改變并回應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。透過(guò)掃描STM金屬針穿過(guò)表面的超尖端，STM可以感知單個(gè)原子的形狀，并將原子拉進(jìn)或攜入所需的排列中。

「我們正在探索當(dāng)一次探測(cè)一個(gè)原子時(shí)會(huì)發(fā)生什麼，同時(shí)也觀察其磁性。」Lutz說(shuō)：「我們首先學(xué)到感知核的磁狀態(tài)，接著是如何加以控制?！?/p>

在此過(guò)程中必須進(jìn)行兩個(gè)步驟。他說(shuō)：「首先我們需要對(duì)準(zhǔn)原子核的磁方向，而不僅僅是指向隨機(jī)的方向?！寡芯咳藛T透過(guò)施加從銳利金屬針尖發(fā)出的無(wú)線電波，從而操控原子核的磁性。接著，將無(wú)線電波精確地調(diào)諧至原子核的固有頻率。Lutz說(shuō)：「此時(shí)，我們就可以透過(guò)針尖的電流接取至原子核。」

單個(gè)銅原子核磁性的概念圖。圓錐體代表銅原子的磁北極(左)和電子(右)之不同方向。核子和電子能以磁性連接(紅色彈簧部份)。STM尖端的電流(如右圖所示)控制原子的磁性

研究人員首先著眼于鐵和鈦原子中的核磁性，然后再著手研究銅。銅由于導(dǎo)電性佳，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生活各方面了。然而，它的磁性并未被完全瞭解。Lutz說(shuō)，雖然我們從來(lái)沒(méi)看過(guò)1美分硬幣與磁鐵相吸，但當(dāng)單個(gè)銅原子周圍未被其他銅原子包圍時(shí)，銅的磁性就會(huì)變得十分明顯。「現(xiàn)在我們已經(jīng)開(kāi)始研究銅了，因?yàn)殂~在核與其外部電子之間有很強(qiáng)的互動(dòng)作用?！?/p>

Lutz說(shuō)這種原子核有四種不同的量子態(tài)。研究人員目前正在探索其與量子運(yùn)算相同的成份。然而，他們正以比量子運(yùn)算所需更短的同調(diào)時(shí)間存取環(huán)境。正確地說(shuō)，對(duì)于可能賦予記憶體的意義是，諸如磁阻式隨機(jī)存取記憶體(MRAM)等磁性記憶體大約需要十萬(wàn)個(gè)原子才能儲(chǔ)存1位元的資料?！改蔷褪谴哦ㄏ蚩梢援a(chǎn)生1個(gè)1或0的雙態(tài)元件。我們并為其縮小了十萬(wàn)倍，因而可以在未來(lái)盡可能地拓展目標(biāo)?！?/p>

Lutz無(wú)法推測(cè)這一基礎(chǔ)研究何時(shí)可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，畢竟它目前還處于早期階段。他說(shuō)：「我們接下來(lái)的步驟將是建立磁原子陣列。我們已經(jīng)開(kāi)始練習(xí)組裝原子了，這同時(shí)也是未來(lái)每一種新原子的新研究方向?！?/p>