Adsorbimento e commutazione di Co su BP. a Six Co specie su BP come depositato a T < 5 K (Vs = −400 mV, It = 20 pA, scala bar = 1 nm). Gli atomi inscatolati mostrano specie correlate attraverso il piano dello specchio lungo [010]. b Quattro atomi di a sono stati trasformati in JH, basso (Vs = −400 mV, It = 20 pA, scala bar = 1 nm). c Due atomi di b sono stati trasformati in JH, alto (Vs = −400 mV, It = 20 pA, scala bar = 1 nm). d Caratteristiche di commutazione da JH, basso a JH, alto con Vs = 420 mV ed e JH, alto a JH, basso con Vs = −680 mV. Si notano bias approssimativi di soglia per la commutazione (Vth). I cerchi arancioni indicano la posizione della punta durante la sequenza di commutazione. Le immagini dell'inserto che mostrano le configurazioni prima e dopo hanno una dimensione di 4 nm × 4 nm. f Rappresentazione schematica delle curve di energia di adsorbimento per specie Co su BP. Credito: Comunicazioni sulla natura (2018). DOI:10.1038/s41467-018-06337-4
Gli scienziati della Radboud University hanno scoperto un nuovo meccanismo per l'archiviazione magnetica delle informazioni nella più piccola unità di materia:un singolo atomo. Mentre la prova di principio è stata dimostrata a temperature molto basse, questo meccanismo è promettente per il funzionamento a temperatura ambiente. In questo modo, sarà possibile memorizzare migliaia di volte più informazioni rispetto agli attuali dischi rigidi. I loro risultati sono pubblicati oggi in Comunicazioni sulla natura .
Poiché la nostra attuale architettura di elaborazione non sta diventando molto più veloce e utilizza molta potenza, combinato con l'esplosione delle richieste di immagazzinare informazioni, i ricercatori sono interessati a nuove strategie per memorizzare più informazioni in modo efficiente dal punto di vista energetico. Un potenziale percorso consiste nell'immagazzinare le informazioni al limite ultimo di scala:un singolo atomo. "I computer hanno raggiunto limiti fondamentali su quanto possono migliorare, creando un'enorme domanda nella ricerca di materiali alternativi. I computer moderni consumano molta elettricità, attualmente richiedono più del 5 per cento dell'elettricità mondiale. La scienza fondamentale dice che possiamo guadagnare molto di più in termini di efficienza energetica. Ci stiamo concentrando su un componente molto basilare dei computer moderni:un po' di memoria. Usiamo atomi, perché sono la più piccola unità di materia e ci consentono anche di comprendere ulteriormente la scienza fondamentale dietro il loro comportamento. La nostra domanda attuale:come possiamo memorizzare le informazioni all'interno di un singolo atomo e quanto possiamo rendere stabile quell'informazione?", spiega il primo autore Brian Kiraly.
Gli atomi devono smettere di girare per immagazzinare informazioni
Quando scendi al livello del singolo atomo, atomi magnetici, non rimangono più stabili. "Ciò che definisce un magnete permanente è che ha un polo nord e un polo sud, che rimane nello stesso orientamento, " spiega il professore di microscopia a scansione di sonda Alexander Khajetoorians, "Ma quando riduci a un singolo atomo, il polo nord e il polo sud dell'atomo iniziano a capovolgersi e non sanno in quale direzione dovrebbero puntare, poiché diventano estremamente sensibili all'ambiente circostante. Se vuoi che un atomo magnetico contenga informazioni, non può capovolgersi. Negli ultimi dieci anni i ricercatori si sono chiesti:affinché l'atomo smetta di capovolgersi, quanti atomi sono necessari per stabilizzare il magnete, e per quanto tempo può conservare le informazioni prima che si capovolga di nuovo? Negli ultimi due anni, gli scienziati di Losanna e dell'IBM Almaden hanno scoperto come evitare che l'atomo si capovolga, dimostrando che un singolo atomo può essere un ricordo. Per fare questo, i ricercatori hanno dovuto utilizzare temperature molto basse, 40 Kelvin o -233 gradi Celsius. Questa tecnologia è limitata a temperature estremamente basse".
Gli scienziati della Radboud University hanno adottato un approccio diverso. Scegliendo un substrato speciale - fosforo nero semiconduttore -, hanno scoperto un nuovo modo per memorizzare le informazioni all'interno di singoli atomi di cobalto, che aggira i problemi convenzionali con l'instabilità. Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, dove una punta di metallo affilata si muove sulla loro superficie a pochi atomi di distanza, potevano "vedere" singoli atomi di cobalto sulla superficie del fosforo nero. A causa della risoluzione estremamente elevata e delle proprietà speciali del materiale, hanno mostrato direttamente che i singoli atomi di cobalto potevano essere manipolati in uno dei due stati di bit.
Maggiore stabilità rispetto ai magneti del passato
Gli elettroni di un atomo orbitano attorno al nucleo, ma anche "gira" se stessi, proprio come la Terra ruota sia attorno al Sole che al proprio asse. L'importo totale che gira, o il suo momento angolare, è ciò che ci dà magnetismo. "Invece di questo momento angolare di spin, che i ricercatori precedenti hanno usato, abbiamo trovato un modo per fare una differenza energetica tra alcuni degli orbitali dell'atomo di cobalto e ora usiamo il momento angolare orbitale per la nostra memoria atomica. Questo ha una barriera energetica molto più grande e potrebbe essere praticabile per rendere stabile la memoria del singolo atomo a temperatura ambiente.
Alla fine, è ancora un magnete con un momento angolare, ma ora siamo in grado di controllare l'atomo da 0 a 1 stato, che ha una stabilità molto più elevata rispetto ad altri magneti, " dice Kiraly. "Quando abbiamo condotto per la prima volta l'esperimento e abbiamo visto questa commutazione binaria, non eravamo sicuri di cosa stesse succedendo. In una bella collaborazione con i teorici della Radboud University, Misha Katsnelson e Sasha Rudenko, siamo riusciti a far notare che stavamo osservando il momento orbitale dell'atomo e avevamo creato una nuova memoria, " aggiunge Khajetoorians.
Memorizza mille volte più informazioni
Proprio adesso, gli elementi che immagazzinano i bit del disco rigido sono ancora mille volte più grandi di un atomo. Khajetoorians:"Ciò che significa questo lavoro è che, se potessimo costruire un vero disco rigido da tutti questi atomi - e siamo ancora molto lontani da questo - potresti memorizzare migliaia di volte più informazioni".
