他们是如何做到的：认识在单个原子上存储数据的 IBM 纳米科学家

想象一下，将 3500 万首歌曲的整个 iTunes 资料库存储在信用卡大小的设备上。尽管目前还不可能，但也许有一天——这要归功于 IBM Research 的纳米科学家最近的一项研究——加利福尼亚州圣何塞的 Almaden 发表在Nature .在论文中，纳米科学家展示了在一个原子上读写一位数据的能力 .相比之下，今天的硬盘驱动器使用 100,000 到 100 万个原子来存储一位信息。

单个稀土元素钬原子被用作世界上最小的磁铁来存储一位数据。

它是如何工作的

计算机理解的最基本的信息是一点。就像可以打开或关闭的灯一样，位只能具有两个值之一：1 或 0。直到现在，人们还不知道构建可靠的磁存储位需要多少原子。

在这项研究中，纳米科学家创造了世界上最小的磁铁，一个原子。类似于冰箱上的磁铁，这个磁铁有南北磁极，但仅由钬元素的单个原子组成。单个钬原子附着在精心挑选的氧化镁表面，即使受到附近其他磁铁的干扰，它的北极和南极也能保持稳定的方向。两个稳定的磁方向定义了位的 1 和 0。定制显微镜（IBM 发明的、获得诺贝尔奖的扫描隧道显微镜）的一根锋利的金属针引入了一个电流，该电流翻转了原子的磁北极和南极，从而将其在 1 和 0 之间改变。这对应于“写入”过程在硬盘驱动器中。 IBM 纳米科学家然后可以测量通过原子的磁流，以确定它的值是 1 还是 0。这就是“读取”过程。

会见研究人员

克里斯托弗·卢茨，IBM 纳米科学研究人员，使用 IBM 发明的、获得诺贝尔奖的显微镜将数据存储在世界上最小的磁铁上。

Christopher Lutz 对创新并不陌生。九岁那年，他向两位艺术家的父母宣布：“我想我将成为一名物理学家。”

然而，克里斯以计算机科学家的身份开始了他的学术生涯。 1985 年，出于金钱和精力，Chris 从加州大学圣克鲁斯分校的博士项目中休假，并抓住机会在 IBM Research – Almaden 从事暑期工作。克里斯建造了一台并行计算机来模拟原子物理，满足了他童年的追求。最终，Chris 与著名的纳米科学家和 IBM 研究员 Don Eigler 合作。后来加入了现在在首尔量子纳米科学中心的 Andreas Heinrich，他们在过去 25 年中发表了一系列研究，这些研究利用了他们移动单个原子的能力。他们还制作了世界上最小的电影，被称为“一个男孩和他的原子”，这是一部使用由单个原子组合而成的一系列图像的定格动画。

克里斯对纳米科学的热情来自于他对世界的独特视角。 “当我观察世界时，我会看到一系列计算，”克里斯说。 “例如，从树上落下的一片叶子在落下的过程中会执行许多计算。粗略地说，它的运动会考虑重力和空气阻力来确定下落速度。仔细观察，原子的运动会执行复杂的计算，以遵循物理定律。我在 IBM 的工作主要是寻找方法来理解微小的原子世界中的模式，以及如何引导它们进行我们想要的计算。例如，我们通过分子的精确排列制造了世界上最小的互连逻辑门。在最近的这项研究中，单个原子执行了计算的重要部分：为我们存储一些数据。”

迄今为止，克里斯已发表了数十篇纳米科学研究，其中一些已进入全球大学课程。现在与 Chris 合作的 IBM 博士后研究员 Kai Yang 对这一点了如指掌。 Kai 来自中国的一个小城市，在当地大学学习 IBM 的纳米科学研究。有一次，当他听说 IBM Research 纳米科学团队的成员正在参观他的大学校园时，他

IBM 纳米科学家IBM Research 的 Christopher Lutz（左）和 Kai Yang（右）——加利福尼亚州圣何塞的 Almaden。

热切地自愿担任团队的校园导游，以便他可以结识他的教科书英雄。那次巡演让 Kai 在 IBM Research 的 Almaden 实验室获得了实习机会，在那里他与 Chris Lutz 和团队一起进行了一位对一位原子的研究。

据凯说，这是一项几乎没有的研究。在尝试测量钬原子的两个稳定磁取向一个月后，该团队尚未成功。该团队给了自己六周的时间来证明钬原子是一个稳定的磁性位——否则研究就会结束。 Kai 和他的团队，包括访问科学家 Fabian Natterer，深信他可以实现这一目标，他们日夜在实验室工作，以证明它可以在即将到来的截止日期前完成。最后，在凌晨 4 点，在实验室里，该团队能够证明单个钬原子的两个稳定的磁取向。关键是意识到原子是如此稳定，以至于他们必须通过让电流脉冲通过它来主动地在状态之间切换。这是他们最终在Nature上发表的结果 .

“我很高兴我们没有放弃，”Kai 说，他最近被 IBM 聘为博士后研究员，并根据他的里程碑式工作被提名 MIT Tech Review 的 35 Innovators Under 35 名单。

IBM 纳米科学家继续探索单个原子的磁性及其相互作用的方式，将它们精确地排列在表面上，形成原本不存在的结构。使用他们强大的单原子自旋共振新技术来感知磁性，该技术使用与 MRI 成像相同的物理原理，但适用于单个原子。

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