Only Perception: 世上最小的磁性資料儲存單元

2012-01-18

世上最小的磁性資料儲存單元

The world's smallest magnetic data storage unit
http://www.physorg.com/news/2012-01-world-smallest-magnetic-storage.html

January 12, 2012

來自 IBM 與德國 Center for Free-Electron Laser Science（CFEL，自由電子雷射科學中心）的科學家建構出世上最小的磁性資料儲存單元。每 bit（資訊基本單位）只用到 12 個原子，並將完整的一個 byte（8 bit）壓縮到只要 96 個原子這麼少。相較之下，現代硬碟每 byte 仍需超過 5 億個原子。該團隊將他們的研究發表在本週五（2012.01.13）的週刊 Science 上。CFEL 是漢堡的研究中心 Deutsches Elektronen-Synchrotron（DESY）、Max-Planck-Society（MPG）以及漢堡大學的一個合資單位。"透過 CFEL 夥伴們已在 DESY 園區內設立一間創新機構，發表橫跨廣泛學門的頂級研究，" DESY 研究主管 Edgar Weckert 表示。

這款奈米資料儲存單元是在 IBM 的 Almaden 研究中心（加州 San Jose）裡，在 STM 的幫助下一個一個原子建造而成。研究者們建構鐵原子的規律圖案，每六個原子排成一列。二列就足以儲存一 bit。一個 byte 則據此由八對原子列構成。它只用到 4 x 16 奈米的面積。"其儲存密度比現代的硬碟要高出幾百倍，" CELF 的 Sebastian Loth 表示，這篇 Science 論文的第一作者。

資料在 STM 的幫助下從奈米儲存單元寫入與讀出。成對的原子列有二種可能的磁性狀態，代表古典 bit 的 "0" 與 "1"。一道來自 STM 尖端的電脈衝從這個到那個翻轉了磁性設置（magnetic configuration）。一道較弱的脈衝則允許將設置讀出，儘管這種奈米磁鐵目前只有在攝氏負 268 度（5 Kelvin）的極寒溫度下，才會穩定。 "我們的研究遠遠超過當前的資料儲存技術，" Loth 表示。研究者們預期約需 200 個原子組成陣列，才能在室溫下維持穩定。然而在原子的磁性能被用於資料貯存前，仍需要花一段時間。

這是研究者首度為了資料儲存的目的而設法使用一種特殊形態的磁性，稱為反鐵磁性（antiferromagnetism）。不同於鐵磁性，那被用在傳統的硬碟中，在反鐵磁性材料內，鄰近原子的自旋相對排列（oppositely aligned），在很大的程度上那使材料呈現磁中性。這意味著反鐵磁性原子列可更加靠近而不會在磁性上彼此相互干涉。因此，科學家設法使每個 bit 僅間隔 1 奈米。

"在看待電子元件的縮小時，我們想知道這是否能深入到單個原子的領域，" Loth 解釋。但該團隊並非將現有元件縮小，而是選了一條相反的途徑："從最小的東西開始 -- 一個原子 -- 我們一次用一個原子來建立資料儲存裝置，" IBM 研究成員 Andreas Heinrich 表示。所需要的精確度在世上只有少數幾個研究團體在行。

"我們測試過我們的單元要造多大才能達到古典物理學的領域，" Loth 解釋，他在四個月前從 IBM 搬到 CFEL。將所用元素最小化之後，十二個原子浮現了。"低於這個閾值，量子效應會使儲存的資訊模糊。" 這些量子效應是否能透過某種方式，當成一種更加稠密的資料儲存來用，目前是一個密集研究的主題。

在他們的實驗裡，這個團隊不僅建立迄今最小的磁性資料儲存單元，也為古典物理到量子物理的轉變創造出一個理想的測試平台。"我們已學會透過鐵原子列的形狀與大小來控制量子效應，" Loth 解釋，Max Planck 在 CFEL 的研究小組 -- dynamics of nanoelectric systems（奈米電子系統動力學）-- 的領導者，以在德國 Stuttgart，Max-Planck-Institute for Solid State Research 的領導者。"我們現在使用這種能力來研究量子力學如何起作用。量子磁性材料與古典磁性材料有何不同？磁鐵在這二個世界的邊界間如何表現？這些令人振奮的問題很快就能被回答了。"

一間為這項研究提供理想條件的新 CFEL 實驗室將使 Loth 能追擊這些問題。"在 Sebastian Loth，時間解析掃描穿隧顯微術（time-resolved scanning tunneling microscopy）領域中的世界領導性科學家，加入 CFEL之後，" CFEL 研究協調者 Ralf Kohn 強調。"完美地補足我們研究原子與分子系統動態的現有專業知識。"

※ 相關報導：

＊ Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets
http://www.sciencemag.org/content/335/6065/196

Sebastian Loth, Susanne Baumann, Christopher P. Lutz,
D. M. Eigler, Andreas J. Heinrich.
Science 13 January 2012: Vol. 335 no. 6065 pp. 196-199
doi: 10.1126/science.1214131