Yleinen

Kuinka tallentaa tietoja yhden atomin kokoisiin magneetteihin


Magnetismi on hyödyllinen monin tavoin, ja magneettisen muistin vaikutus näkyy jopa atomitasolla. Popular Science Monthly

On sanonta, jonka mukaan data laajenee täyttämään kaikki käytettävissä olevat kapasiteetit. Ehkä kymmenen tai 20 vuotta sitten oli tavallista varastoida ohjelmistoja, MP3-musiikkia, elokuvia ja muita tiedostoja, joiden kerääminen on saattanut viedä vuosia. Päivinä, jolloin kiintolevyt tarjosivat muutamia kymmeniä gigatavuja tallennustilaa, tilan loppuminen oli melkein väistämätöntä.

Nyt kun meillä on nopea laajakaistayhteys ja ajattelematta 4,7 gigatavun DVD-levyn lataamista, voimme kerätä tietoja entistä nopeammin. Arviot maailmanlaajuisesti pidettävän datan kokonaismäärästä nousevat 4,4 biljoonasta gigatavusta vuonna 2013 44 biljoonaan gigatavuun vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaa, että tuotamme keskimäärin 15 miljoonaa gigatavua päivässä. Vaikka kiintolevyasemat mitataan nyt tuhansina gigatavuina eikä kymmeniin, meillä on silti tallennusongelma.

Tutkimus- ja kehitystoiminta on keskittynyt uusien tietovarastomenetelmien kehittämiseen, jotka ovat tiheämpiä ja jotka voivat siten tallentaa suurempia määriä dataa ja tehdä niin energiatehokkaammin. Joskus tähän liittyy vakiintuneiden tekniikoiden päivittäminen: IBM ilmoitti äskettäin uudesta magneettinauhatekniikasta, joka pystyy tallentamaan 25 gigatavua neliötuumaa kohti, mikä on uusi 60-vuotisen tekniikan maailmanennätys. Vaikka nykyiset magneettiset tai kiinteän tilan kuluttajakiintolevyt ovat tiheämpiä, noin 200 gigatavua neliötuumalla, magneettinauhoja käytetään edelleen tietojen varmuuskopiointiin.

Tietojen tallennustutkimuksen kärjessä on kuitenkin työskentely yksittäisten atomien ja molekyylien tasolla, mikä edustaa teknologisen pienentämisen lopullista rajaa.

Atomimagneettien etsiminen

Nykyiset magneettiset tallennustekniikat - ne, joita käytetään perinteisissä kiintolevyissä, joissa on kehrättävät lautaset, muutama vuosi sitten vakiintunut ja edelleen yleinen tekniikka - rakennetaan "ylhäältä alas" -menetelmillä. Tähän kuuluu ohuiden kerrosten valmistaminen suuresta palasta ferromagneettista materiaalia, joista kukin sisältää monia magneettisia domeeneja, joita käytetään tietojen pitämiseen. Jokainen näistä magneettisista domeeneista koostuu suuresta magneettisten atomien kokoelmasta, jonka kiintolevyn luku- / kirjoituspää asettaa magneettisen napaisuuden edustamaan dataa joko binäärisenä tai nollana.

Vaihtoehtoinen "alhaalta ylös" -menetelmä käsittäisi tallennuslaitteiden rakentamisen sijoittamalla yksittäisiä atomeja tai molekyylejä yksi kerrallaan, joista kukin pystyy tallentamaan yhden bitin tietoa. Magneettiset domeenit säilyttävät magneettisen muistinsa naapurissa olevien magnetoitujen atomien ryhmien välisen viestinnän vuoksi.

Yhden atomin tai yksimolekyyliset magneetit eivät toisaalta vaadi tätä viestintää naapureidensa kanssa magneettisen muistin säilyttämiseksi. Sen sijaan muistivaikutus syntyy kvanttimekaniikasta. Joten koska atomit tai molekyylit ovat paljon, paljon pienempiä kuin nykyisin käytettävät magneettiset domeenit, ja niitä voidaan käyttää yksittäin eikä ryhmissä, ne voidaan pakata lähemmäs toisiaan, mikä voi johtaa valtavaan datatiheyden kasvuun.

Tällaisten atomien ja molekyylien kanssa työskenteleminen ei ole tieteiskirjallisuutta. Magneettisen muistin vaikutukset yksimolekyylisissä magneeteissa (SMM) osoitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1993, ja samanlaiset vaikutukset yhden atomin magneeteissa esitettiin vuonna 2016.

Lämpötilan nostaminen

Suurin ongelma näiden tekniikoiden siirtämisessä laboratoriosta ja valtavirtaan on se, että ne eivät vielä toimi ympäristön lämpötiloissa. Sekä yksittäiset atomit että SMM: t vaativat jäähdytystä nestemäisellä heliumilla (lämpötilassa –269 ° C), joka on kallis ja rajallinen resurssi. Joten viimeisten 25 vuoden aikana tutkimus on keskittynyt nostamaan lämpötilaa, jossa magneettinen hystereesi - magneettisen muistin vaikutuksen osoitus - voidaan havaita. Tärkeä tavoite on –196 ° C, koska tämä on lämpötila, joka voidaan saavuttaa nestemäisellä typellä, joka on runsas ja halpa.

Kesti 18 vuotta ensimmäiseen asialliseen askeleeseen kohti lämpötilan nostamista, jossa magneettinen muisti on mahdollista SMM-laitteissa - Kalifornian tutkijoiden saavuttama 10 ° C: n nousu. Mutta nyt tutkijaryhmämme Manchesterin yliopiston kemian korkeakoulussa on saavuttanut magneettisen hystereesin SMM: ssä -213 ° C: ssa käyttämällä uutta molekyyliä, joka perustuu harvinaisten maametallien dysprososeniumiin, kuten Nature-lehdelle kirjeessä kerrotaan. 56 ° C: n hyppyllä tämä on vain 17 ° C: n päässä nestemäisen typen lämpötilasta.

Tulevat käyttötavat

On kuitenkin muitakin haasteita. Yksittäisten databittien käytännölliseen tallentamiseen molekyylit on kiinnitettävä pintoihin. Tämä on osoitettu SMM-laitteilla aiemmin, mutta ei tämän korkean lämpötilan SMM-laitteiden uusimmalle sukupolvelle. Toisaalta yksittäisten atomien magneettinen muisti on jo osoitettu pinnalla.

Lopullinen testi on tietojen kirjoittamisen ja rikkomattomasti lukemisen osoittaminen yksittäisissä atomissa tai molekyyleissä. Tämä saavutettiin ensimmäisen kerran vuonna 2017 IBM: n tutkijaryhmässä, joka esitteli maailman pienimmän magneettisen muistin tallennuslaitteen, joka on rakennettu yhden atomin ympärille.

Mutta riippumatta siitä, tuleeko yhden atomin vai yhden molekyylin tallennuslaitteista todella käytännöllisiä, tällä polulla saavutettava perustieteen kehitys on ilmiömäistä. SMM: ien parissa työskentelevien ryhmien kehittämät synteettisen kemian tekniikat antavat meille mahdollisuuden suunnitella molekyylejä, joilla on räätälöityjä magneettisia ominaisuuksia, joilla on sovelluksia kvanttilaskennassa ja jopa magneettikuvantamisessa.

Nicholas Chilton, tutkija - Kemian korkeakoulu, Manchesterin yliopisto

Tämä artikkeli julkaistiin alun perin Keskustelussa. Lue alkuperäinen artikkeli.


Katso video: 5 Maailman vaarallisinta hyönteistä! (Kesäkuu 2021).