彼らのやり方：単一の原子にデータを保存したIBMナノサイエンティストに会う

クレジットカードサイズのデバイスに3500万曲のiTunesライブラリ全体を保存することを想像してみてください。まだ可能ではありませんが、いつかは可能性があります。IBMResearchのナノサイエンティストによる最近の研究のおかげで、カリフォルニア州サンノゼのアルマデンが Nature に掲載されました。 。この論文では、ナノサイエンティストは、 1つの原子で1ビットのデータを読み書きする能力を実証しました。 。比較のために、今日のハードディスクドライブは1ビットの情報を格納するために100,000から100万の原子を使用しています。

シングル希土類元素であるホルミウムの原子は、1ビットのデータを保存するための世界最小の磁石として使用されます。

仕組み

コンピューターが理解する最も基本的な情報は少しです。オンまたはオフに切り替えることができるライトと同じように、ビットは1または0の2つの値のいずれかしか持つことができません。これまで、信頼できる磁気メモリビットを構築するために必要な原子の数は不明でした。

この研究では、ナノサイエンティストが世界最小の磁石である単一原子を作成しました。冷蔵庫の磁石と同じように、これは北と南の磁極を持っていましたが、元素ホルミウムの単一の原子だけで構成されていました。単一のホルミウム原子は、慎重に選択された表面である酸化マグネシウムに付着しました。これにより、たとえば近くの他の磁石によって妨害された場合でも、その北極と南極が安定した方向に保持されます。 2つの安定した磁気方向により、ビットの1と0が定義されました。カスタム顕微鏡（IBMが発明した、ノーベル賞を受賞した走査型トンネル顕微鏡）の鋭い金属針は、原子の磁北極と南極を反転させて1と0の間で変化させる電流を導入しました。これは「ハードディスクドライブでの書き込み」プロセス。その後、IBMナノサイエンティストは、原子を通過する磁気電流を測定して、その値が1か0かを判断できました。これが「読み取り」プロセスでした。

研究者に会う

クリストファー・ルッツ、IBMナノサイエンス研究者、IBMが発明したノーベル賞を受賞した顕微鏡を使用して、世界最小の磁石にデータを保存します。

クリストファー・ルッツはイノベーションにとって見知らぬ人ではありません。 9歳のとき、彼は両親に、両方の芸術家に「私は物理学者になると思います」と宣言しました。

それでも、クリスはコンピューター科学者として学業を始めました。 1985年、お金とエネルギーから、クリスはカリフォルニア大学サンタクルーズ校の博士課程を休み、IBM Research –Almadenでの夏の仕事にチャンスをつかみました。クリスは、原子の物理学をシミュレートするための並列コンピューターを構築し、子供の頃の探求を満たしました。最終的に、Chrisは有名なナノサイエンティストでIBMフェローのDonEiglerとチームを組みました。その後、現在ソウルの量子ナノサイエンスセンターにいるアンドレアスハインリッヒが加わり、彼らは過去25年間にわたって、個々の原子を動かす能力を利用した一連の研究を発表しました。彼らはまた、「少年と彼の原子」と呼ばれる世界最小の映画を作成しました。これは、個々の原子から組み立てられた一連の画像を使用したスト​​ップモーションアニメーションです。

クリスのナノサイエンスへの情熱は、世界に対する彼のユニークな視点から来ています。 「私が世界を見るとき、私は一連の計算を見ます」とクリスは言いました。 「たとえば、木から落ちた葉は、落ちた過程で多くの計算を実行します。大まかなスケールでは、その動きは重力と空気の抵抗を考慮して落下速度を決定します。よく見ると、物理法則に従うために、原子の動きが複雑な計算を実行します。 IBMでの私の仕事は、原子の小さな世界のパターンを理解する方法と、必要な計算を実行するようにそれらを操作する方法を見つけることに重点を置いています。たとえば、分子の正確な配置を使用して、世界最小の相互接続された論理ゲートを作成しました。この最新の研究では、単一の原子が計算の重要な部分を実行しました。それは、私たちのために少しのデータを保存することです。」

現在までに、クリスは数十のナノサイエンス研究を発表しており、そのうちのいくつかは世界中の大学のカリキュラムに取り入れられています。現在クリスと協力しているIBMのポスドク研究員であるカイヤンは、これを直接知っています。カイは元々中国の小都市出身で、地元の大学でIBMのナノサイエンス研究を学びました。ある時点で、IBM Researchナノサイエンスチームのメンバーが大学のキャンパスを訪れていると聞いたとき、彼は

IBMナノサイエンティストカリフォルニア州サンノゼのIBMResearch –AlmadenのChristopherLutz（左）とKai Yang（右）。

彼が教科書のヒーローと知り合うことができるように、チームのキャンパスツアーガイドとして熱心に志願しました。そのツアーにより、KaiはIBM ResearchのAlmadenラボにインターンシップを開始し、そこでChrisLutzとチームと1ビット1原子の研究を行いました。

カイによると、これはほとんどそうではなかった調査研究でした。ホルミウム原子の2つの安定した磁気配向を測定しようとした1か月後、チームはまだ成功していませんでした。チームは、ホルミウム原子が安定した磁気ビットであることを証明するために6週間を費やしました。そうでなければ、研究は終了します。カイと彼のチームは、客員研究員のファビアン・ナッターラーを含め、それを実現できると確信し、文字通り昼夜を問わず研究室で働き、差し迫った期限までにそれが可能であることを示しました。最後に、ある早朝の研究室で午前4時に、チームは単一のホルミウム原子の2つの安定した磁気配向を実証することができました。重要なのは、原子が非常に安定しているため、電流のパルスを流すことによって、原子を状態間で積極的に切り替える必要があることを認識したことです。これは、彼らが最終的に Nature で公開した結果でした。 。

「私たちが諦めなかったことをうれしく思います」と、最近IBMでポスドク研究員として採用され、彼の画期的な業績に基づいてMIT TechReviewの35歳未満のイノベーターズリストにノミネートされたカイは言いました。

IBMのナノサイエンティストは、原子を表面上に正確に配置して、他の方法では存在しない構造にすることにより、個々の原子の磁性とそれらが相互作用する方法を探求し続けています。磁気特性は、MRIイメージングと同じ物理学を使用しますが、個々の原子に適用される単一原子スピン共鳴の強力な新しい技術を使用して検出されます。

保存

保存

保存