http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-01-15
数据存储敲响原子大门——IBM研制出由12个原子组成的数据存储位
据美国《大众科学》《技术评论》在线版1月12日消息称，IBM公司近日研制出世界上最小的磁性存储位，仅仅由12个原子组成。其并非量子计算机，却达到了量子计算机的存储能力——96个原子便能够贮存1整个字节。而当前一只普通硬盘存储1比特就需要一百万个原子，一个字节至少需要5亿个原子。
这样存储器的出现，无疑大幅降低了世界信息存储技术所需原子的数量水平，消息一经公布后迅速引起外媒转载。该研究论文则刊登在本周出版的《科学》杂志上。
力求最小的原子数
一直以来，科学家们依然不清楚要建造一个足够可靠、稳定的存储位（memory bit）——这一计算机所能够理解的信息最基础单元，到底需要多少个原子。
IBM公司与德国“自由电子激光科学中心”(CFEL)的科学家们决定从技术的最基础层面开始，以逐个增加的方式搭建磁性存储位。在扫描式隧道电子显微镜的帮助下，他们令铁原子按照正常模式排成了6列，发现只需两列就能够安全地存储一个比特，16列就足够存储一个字节。
而在存储方式上，与普通硬盘时刻需要将比特（Bit）锁定在盘内不同，新的存储位只需使用扫描式隧道电子显微镜便能够实现对比特的输入和读取。本项研究的领导者、IBM阿尔马登研究中心科学家安德烈·海因里希表示，该成果回答了许多关于传统力学系统本质的基础性问题。尤其是这种由量子层面向经典形态的转变，已经成为研究团队的兴趣目标之一。
为什么是12个
“当你只有一个原子时，你需要借助量子力学来描述它的行为。但随着原子数量的增加，整个系统越来越大，若干铁原子开始彼此发生作用。最终，在到达某一节点后，你就可以脱离量子的层面，而只需将所有原子从整体上当做一个传统磁性架构来思考。”海因里希说。
所谓的节点，指代的是12个原子的规模。对此，海因里希指出，在微观层面上，量子效应会扰乱所存储的信息。用6个原子存储的比特，将会以每秒1000次的频率改变自己的磁性状态，即从“0” 变为“1”，这根本无法实现信息的存储。
而每秒只转变一次的8个原子也是不够的，只有达到12个原子时，它们磁性转变的频率才足够用于信息的存储。这种频率之低，只有借助扫描式隧道电子显微镜之类的外来磁场，才能够改变它们的磁性状态。而一般毫微磁场只有在5开尔文度数，即零下450摄氏度时才能保持稳定。
反铁磁性首次用于信息存储
本次新成果的另一大突破，亦在于是第一次将比特的反铁磁性用于信息存储。
此前，人们广泛应用铁磁体来进行信息存储，它可以利用铁原子之间的磁相互作用来令所有原子按同一方向排列，以使磁场能够被读取。但是在更微观的层面上，这种方式却成为人们精简信息存储系统的“拦路虎”，因为高度压缩的磁位之间会互相发生作用。
然而，这只12原子存储位利用了反铁磁性，即让原子按照相反的方向排列和旋转。海因里希解释说，此时铁原子可以利用氮原子分离开来，并在扫描式隧道电子显微镜的干预下以不同的方向旋转，这让它们能够被压缩得更为紧密，极大增加了存储的密度。
该项研究的另一位领导者、刚由IBM转投CFEL的塞巴斯蒂安·罗思表示，该研究对于量子层面的经典计算提出许多新的问题和挑战，比如怎样摆脱量子力学的束缚，量子磁性与经典磁性的鸿沟是什么，磁体在这两者的交集之间会有怎样的表现。（记者 张梦然 综合外电）
[科技日报]