IBM成功在一颗原子中存储数据：信用卡大小存储iTunes所有3500万首歌曲

由多名专业人员构成的国际化科研团队近日顺利打造出了全球大于的磁体——独立国家的原子，并展示在未来有可能利用该磁体来存储数据。而在这项研究成果发布之前，业界普遍认为分子是大于的数据存储单元。为了更加形象的解释这项研究成果的意义，你可以想象成这样：一个原子存储 1 bit，那么将近一张信用卡大小的设备需要几乎存储 iTunes 音乐库中的所有 3500 万首歌曲。

目前该项目由 IBM 研究院艾曼登研究中心（IBM Research -Almaden）和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的团队联合率领。2015 年，IBM 研究院首次研发了单原子「探测器」——电子自旋共振（ESR）探测器；今年 3 月 6 日，IBM 公开发表宣告已寻找新方法将 ESR 应用于扫瞄隧道电子显微镜（STM），确认单一原子的排序状态。而今天讲解的科研项目就是这项新发现的可选成果之一。

通过超级钝的探针扫瞄物体表面，当探针上的铁原子产生反应 STM 就能测量两者之间的隧道电流，从而需要更加直观的测量单个原子的磁场，且灵敏精准度要比其他方式更高。目前科学家通过近期研发的铁原子传感器，早已顺利检测到钬原子的磁场。这主要是因为作为地球更有元素之一，钬原子不具备极高的磁性。

同此前研发的铁原子传感器有所不同的是，新方法可以在不影响到靶原子的前提下，只用于一台 STM 同时对钬原子的磁极展开加载和操作者。通过铁原子探针需要加载钬原子的磁极 (北极或者南极)，钬原子需要在数字逻辑中存储多个 0 和 1。从本质上来说，科学家几乎需要将铁原子当成 ESR 传感器，因应 STM 的操作者早已研发出有需要在单个原子上存储数据的读取方式。

在《大自然》（Nature）上公开发表的近期研究表明，科研人员找到可以在钬原子的纳米范围内摆放一个铁原子，通过电流将钬原子的南北磁极展开调换的情况下铁原子并会接到任何影响，这样铁原子就能加载钬原子的南北磁极（从而在数字逻辑中代表 0 和 1）。因为铁原子和钬原子需要如此密切的相处，因此工程师需要十分便携的创立磁性存储，是当前固态硬盘和机械硬盘存储芯片密度的 1000 多倍。在下方的视频中，获取了一些关于 STM 的发展历史以及工作原理，在近期研究成果中，它需要沦为单个原子读取数据存储系统的最重要辅助工具。

通过对这些独立国家原子的重新排列可以建构出有十分合理的三层汉堡型读取存储系统：顶部为这些具有磁性的原子，中间用于氧化镁衬底当作绝缘层，底部则是金属电极。而钬原子的特性之一是，哪怕身处在磁场范围等简单环境中也能长时间的维持极性，从而通过吸附在氧化镁表面沦为数据存储的理想媒介。

当 STM 的探针对钬原子引进电流，那么原子的南北极就不会再次发生转动，从而构建 0 和 1 之间的互相切换。这个步骤某种程度的对应于传统机械硬盘中的「载入」操作者。

而「加载」操作者主要利用铁原子检测否不存在「Precess」（进动/旋进）现象来检测当前钬原子的磁极状态。当其中原子在磁场中正处于为交替的电子自旋中，它们就不会以某种特定频率环绕着磁场展开转动。这个频率各不相同磁场强度和原子的磁矩，也就是这个原子的磁力强度。

科研人员为显微镜部署了一个磁场，然后向 STM 的隧道接合处运送高频电压。当电压频率同转动进动实时之后，转动就会接到热平衡（同磁场偏移）的影响。

由于扫描频率完全相同，STM 探针上的铁传感器在适当方向就不会检测到变化，在谐振频率中需要检测到隧道电流的显著变化。这个谐振频率不会受到附近的磁性原子的影响而再次发生移动。本周早些时候在拒绝接受 IEEE Spectrum 专访中，艾曼登研究中心的科学家 Chris Lutz 说明道：「这项科研项目的原理和磁共振光学完全相同，只是我们检测电子进动而并不是核进动，而且通过移动探针我们需要采访我们感兴趣的某一个特定原子，而不是数十亿个。

」Lutz 慎重的回应近期并不希望这项技术不会替代常规的机械硬盘存储。想构建存储市场需求，为了让这些电子维持活动活性必需要维持 4 开尔文（零下 269.15 摄氏度）的韩静下，对于时刻放到口袋中的移动设备来说这似乎是不有可能的。除此之外，还必须非常繁复的科学和工程措施才能保证整个存储系统确实运营。Lutz 和他的团队十分具体这项研究成果在未来将不会享有十分普遍的应用于前景。

事实上早于在几年前，由于当时的 STM 设备无法利用仔细观察磁性原子的电子结构，科研团队不能对此类磁性原子望洋兴叹。但是现在，这种带上独立国家铁原子的全新 ESR 传感器的发明者让未来充满著了无限有可能。对于需要引发新型计算机存储系统浪潮，现在下结论还为时尚早。

但是朝着这个方向发展的进程中，计算机存储将不会带给更好的突破性成果。via IEEE Spectrum版权文章，予以许可禁令刊登。下文闻刊登须知。

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