Исследователи IBM устанавливают атомарные пределы плотности магнитной памяти

Первая в мире демонстрация искусственно созданных структур атомарного масштаба, сохраняющих информацию магнитным способом при низких температурах.

Новая экспериментальная магнитная память обеспечивает, по меньшей мере, в 100 раз более высокую плотность записи/хранения, чем современные жесткие диски и чипы твердотельной памяти.

Подводя очередной итог 30-летним исследованиям в области нанотехнологий, ученые из научно-исследовательского подразделения IBM Research корпорации IBM (NYSE: IBM) успешно продемонстрировали возможность хранения информации в ячейке памяти, состоящей всего лишь из 12-ти магнитных атомов. Для сравнения: современный жесткий диск использует около миллиона атомов для хранения одного бита информации. Способность манипулировать свойствами вещества на основе его элементарных базовых элементов – атом за атомом – может привести к жизненно необходимому пониманию того, как создавать более компактные, быстрые и энергетически эффективные устройства.

Несмотря на то, что технологии на базе кремниевого транзистора становятся все более дешевыми, удовлетворительными с точки зрения плотности записи и эффективными, фундаментальные физические ограничения делают этот путь обычного последовательного масштабирования неприемлемым. Для поддержки высоких темпов инноваций в области вычислительной техники нужны альтернативные подходы.

Применив новый подход и начав с наименьшего структурного элемента памяти – атома – ученые продемонстрировали магнитный накопитель, который обеспечивает, по меньшей мере, в 100 раз более высокую плотность записи, чем современные жесткие диски и чипы твердотельной памяти. В будущем наноструктуры, сформированные добавлением одного атома за один раз и применяющие нетрадиционную форму магнетизма, получившую название антиферромагнетизма, смогут дать пользователям и компаниям возможность сохранять в 100 раз больше информации в том же объеме памяти.

«Промышленность будет и дальше искать способы постепенного масштабирования в полупроводниковых технологиях, но размеры элементов продолжают уменьшаться, достигая своей неизбежной конечной точки: атома. Мы применили обратный подход и начали с наименьшей структурной единицы – отдельных атомов – для построения вычислительных устройств атом за атомом, по одному за раз», — пояснил Андреас Хейнрих (Andreas Heinrich), ведущий исследователь по устройствам хранения данных атомарного масштаба в калифорнийском центре IBM Research – Almaden.

Описание исследований было сегодня опубликовано в рецензируемом экспертами авторитетном научном журнале Science.

Как это работает

Минимальная единица количества информации, которую понимает компьютер – это бит. По аналогии со светом, который может быть включен (свет есть) либо выключен (света нет), бит может иметь только одно из двух значений: "1" или "0". До настоящего времени было неизвестно, сколько атомов может потребоваться для создания устойчивого бита магнитной памяти.

Благодаря свойствам, аналогичным характеристикам магнетиков в криостатах (холодильных установках), ферромагнетики используют магнитное взаимодействие между составляющими их атомами, которое ориентирует все их спины – как основу магнетизма атомов – в одном направлении. Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации, но главным препятствием на пути их миниатюризации до атомарных размеров является взаимодействие ближайших (соседних) однобитовых элементов памяти друг с другом. Намагничиваемость – как результат магнитного поля – одного однобитового элемента памяти может сильно влиять на его «соседа». Использование магнитных битов на атомарном уровне для хранения информации или выполнения полезных вычислительных операций требует точного контроля за взаимодействием между этими элементарными ячейками памяти.

Ученые из IBM Research применили сканирующий туннельный микроскоп для формирования группы из 12-ти «антиферромагнитно» связанных атомов, сохранявших бит данных в течение нескольких часов при низкой температуре. Используя присущее этим атомам свойство изменения направлений магнитного спина, ученые продемонстрировали способность «компоновать» соседние магнитные биты гораздо ближе друг к другу, чем это было возможно ранее. Это позволило значительно увеличить плотность записи/хранения магнитной памяти без нарушения состояния соседних битов.