Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 13 – vyšlo 7. dubna, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

13/2017

Jeden bit, jeden atom

Jakub Jirsa

V dnešní digitální době, kdy je nutné ukládat stále více a více dat, je také potřeba rozšiřovat naše úložiště. Již dávno nežijeme v době, kdy nám stačila 3,5-palcová disketa, na kterou jsme mohli nahrát 1,44 MB dat (to by mimochodem nestačilo ani na fotografii pořízenou dnešními chytrými telefony). Dnes se dostáváme do situace, kdy je potřeba vyrábět co nejmenší paměťová média s co největší úložnou kapacitou. Vědcům z IBM se v tomto oboru podařil skutečně revoluční kousek: zvládli uložit 1 bit do jednoho jediného atomu. Pro srovnání uveďme, že dnešní pevné disky používají na zápis jednoho bitu přibližně 100 000 atomů.

Vědecký tým z IBM, kterému se podařilo zapsat informaci na jeden jediný atom.
Zleva doprava: Chris Lutz, Bruce Melior, Kai Yang, Philip Willke. Zdroj: IBM.

STM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10−10 m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. Zeemanův jev – štěpení energetických hladin atomů vlivem přítomnosti magnetického pole. Jde o skupinu hladin, které bez přítomnosti magnetického pole mají stejnou energii (tzv. degenerovaná energetická hladina). V přítomnosti magnetického pole mají jednotlivé hladiny již nepatrně odlišnou energii, která vede k rozštěpení jedné spektrální čáry na více čar. bit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 210 = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím. Binární násobky – ve výpočetní technice se z technických důvodů používají paměti o velikostech rovných násobkům dvou. Při označování velikostí se vžily předpony používané v SI (kilo, mega, giga, tera). Ty však v tomto kontextu nejsou dekadické. Pro rozlišení v textu by se názvy měly správně doplňovat o malé písmeno i a psát jako kibi (KiB, 210), mebi (MiB, 220), gibi (GiB, 230) a tebi (TiB, 240). V praxi to ale dělá málokdo.

Jak se ukládají data na pevný disk

Abychom se mohli podívat, jakým způsobem ,,zápis na atom“ funguje, pojďme nejdříve prozkoumat, jak fungují tzv. magnetická datová média, například pevné disky. Princip ukládání dat pomocí magnetizace je stále stejný. Pro ukládání do datových médií se používají bity. Bit je nejmenší datová jednotka, pod kterou si můžeme představit hodnotu 1 nebo 0. Dále pak existuje bajt (B), což je označení pro 8 bitů, například 10100101. Následně se používají standardní fyzikální předpony kilo, mega, giga atd. Pro příklad si uveďme, že standardní fotografie má velikost okolo 5 MB, což je přibližně 40 milionů bitů. Pro ukládání takových dat se běžně používají pevné disky. V dnešní době se rozmáhající SSDSSD – Solid State Drive, datové médium, které neobsahuje pohyblivé součástky. Existuje několik technologií přípravy takových médií, k nejznámějším patří tzv. flash paměti. disky však nemají s technologií, která nás zajímá, příliš společného, proto se podíváme na princip stále používaných rotujících pevných disků – HDDHDD – Hard Disk Drive, pevný disk. Zařízení k uchování většího množství dat formou magnetického zápisu. Zápis i čtení probíhá pomocí hlav pohybujících se nad magnetickým médiem. První pevný disk se objevil v roce 1956. Dnešní komerčně prodávané disky pojmou mnoho terabajtů dat..

Každé magnetické datové médium se skládá ze dvou hlavních částí: čtecí/zapisovací hlavy (v dnešních HDD jich bývá víc) a magnetizačního média. U pevného disku se jedná o tenkovrstvý feromagnetický materiál, který je nanesen na diskovém kotouči v několika nanovrtsvách. Tento materiál lze pomocí zapisovací hlavy zmagnetizovat tak, že se vytvoří takové magnetické domény, které jsou natočeny v jednom, nebo v druhém směru. Pomocí čtecí hlavy je možné měřit magnetické pole, které tyto domény vytvářejí, a následně určit orientaci těchto domén. Ke čtení i k zápisu se v současnosti využívá jevu tzv. obří magnetorezistenceObří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997.. Využití této technologie vedlo po roce 1997 ke zmnohonásobení kapacity harddisků.

Princip zápisu na magnetické médium. Zdroj: Computer Hope.

Jak se ukládají data na jeden atom

Experiment vědců z IBM lze rozdělit do tří fází: příprava úložného prostoru, zápis a čtení dat a nezávislé ověření, že se atom skutečně zmagnetizoval v jednom, nebo ve druhém směru. Jako úložné médium byl zvolen vzácný atom holmiaHolmium – měkký stříbřitě bílý přechodný kovový prvek, 11. člen skupiny lanthanoidů. Nachází využití při výrobě silných permanentních magnetů, speciálních slitin pro jadernou energetiku a při výrobě laserů. Holmium objevili roku 1878 současně Marc Delafontaine, Jacques Louis Soret a Per Teodor Cleve. Holmium je v zemské kůře obsaženo v koncentraci přibližně 1,2 mg/kg. (Ho), který byl nanesen na destičku oxidu hořečnatého (MgO). Pro ověření, zda se skutečně jednalo o jediný atomAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. holmia, byla použita speciální mapovací technika – rastrovací tunelový mikroskopSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. . Pomocí této metody byl zmapován povrch a bylo ověřeno, že je nanesen jediný atom holmia. Atom holmia je velice těžké udržet zmagnetovaný. Je nutné vychladit ho na teplotu 40 kelvinů (–233,15 °C), a tím zajistit stabilitu jeho magnetizace. Proto je celý experiment prováděn ve speciální komoře, která je na tuto teplotu vychlazena.

Experimentální uspořádání a měření magnetického stavu atomu holmia. Nalevo je topografie dvojvrstvy MgO s nanesenými atomy holmia a železa. Magnetický stav holmia je detekován za pomoci elektrického proudu tekoucího hrotem rastrovacího tunelového mikroskopu. Zdroj [1].

Fotografie rastrovacího tunelového mikroskopu, která byla pořízena dne 28. 2. 2017
ve výzkumném kampusu IBM v San Jose. Foto: Stan Olszewski pro IBM.

V druhé fázi experimentu použili vědci jako čtecí/zapisovací hlavu hrot z rastrovacího tunelového mikroskopuSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. . Při obou operacích byla využívána obří magnetorezistenceObří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997. – závislost elektrického odporu na intenzitě magnetického pole. Princip čtení je tedy následující: čtecí hlavou, která je umístěna v blízkosti zmagnetovaného atomu, teče elektrický proud, který se mění v závislosti na orientaci spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. (magnetického momentu) zmagnetovaného atomu. Změna protékajícího proudu je v řádu 2 až 4 %, což odpovídá změně velikosti proudu přibližně o jeden miliampér. Tuto změnu velikosti proudu je možné spolehlivě změřit. Pro zápis se používají krátké napěťové pulzy, které jsou větší než 150 mV. Pakliže se změní orientace magnetizace, dojde ke změně protékajícího proudu. Tím je prokázána změna magnetizace atomu a dosažení požadovaného stavu.

Poslední fází experimentu bylo nezávislé ověření, že se magnetické pole v okolí atomu holmiaHolmium – měkký stříbřitě bílý přechodný kovový prvek, 11. člen skupiny lanthanoidů. Nachází využití při výrobě silných permanentních magnetů, speciálních slitin pro jadernou energetiku a při výrobě laserů. Holmium objevili roku 1878 současně Marc Delafontaine, Jacques Louis Soret a Per Teodor Cleve. Holmium je v zemské kůře obsaženo v koncentraci přibližně 1,2 mg/kg. skutečně mění v závislosti na orientaci jeho spinu. K tomu slouží atom železaŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace., který je umístěn v blízkosti atomu holmia. Při nenulovém externím magnetickém poli dochází u atomů železa k Zeemanově jevuZeemanův jev – štěpení energetických hladin atomů vlivem přítomnosti magnetického pole. Jde o skupinu hladin, které bez přítomnosti magnetického pole mají stejnou energii (tzv. degenerovaná energetická hladina). V přítomnosti magnetického pole mají jednotlivé hladiny již nepatrně odlišnou energii, která vede k rozštěpení jedné spektrální čáry na více čar. – rozštěpení energetických hladin. K jeho vyvolání využili vědci externí pole o velikosti 100 mT, při kterém ke štěpení hladin již zřetelně dochází. Pokud přiblížíme hrot ze STM a použijeme střídavý signál, jsme schopni odhalit rezonanční frekvence, které odpovídají jednotlivým energetickým hladinám. Tato fyzikální metoda se nazývá elektronová spinová resonance rastrovacího tunelového mikroskopu (ESR-STM). Je-li velikost magnetického pole změněna vlivem působení pole zmagnetizovaného atomu holmia, dochází k posunu resonanční frekvence, kterou jsme schopni metodou ESR-STM detekovat. Vědci touto metodou změřili, že velikost změny magnetického pole způsobená zmagnetovaným holmiem je (10,1 ± 0,1) násobkem Bohrova magnetonuBohrův magneton – přirozená jednotka magnetického dipólového momentu elektronu. Bohrův magneton je univerzální konstanta rovná eħ/2m_e, jejíž hodnota je 9,27×10⁻²⁴ J/T.. To odpovídá změně rezonanční frekvence o 947 MHz.

Týmu z IBM se povedl i další experiment, při němž použili dva atomy holmia. Na následujícím obrázku můžeme vidět, že se podařilo detekovat posun rezonanční frekvence pro všechny čtyři možné kombinace magnetizace. Vědci tak prokázali, že jsou schopni uložit i dva bity informace.

Experiment s dvěma atomy holmia a jedním kontrolním atomem železa,
který slouží jako senzor magnetického pole. Zdroj: [1].

Závěr

Vědci z IBM prokázali, že je možné magnetizovat jednotlivé atomy. Tím se otevírají zcela nové možnosti pro paměťová média. Pro představu můžeme uvést, že na pevný disk o velikosti kreditní karty by se vešla celá knihovna iTunes, která má více než 30 miliónů písniček. Kdy se budou paměťová média na principu „1 bit – 1 atom“ konstruovat komerčně, nejsme zatím schopni říct, ale určitě se máme na co těšit.

Odkazy