Cómo lo hicieron:Conozca a los nanocientíficos de IBM que almacenaron datos en un solo átomo

Imagínese almacenar toda la biblioteca de iTunes de 35 millones de canciones en un dispositivo del tamaño de una tarjeta de crédito. Aunque todavía no es posible, puede que algún día lo sea, gracias a un estudio reciente de nanocientíficos de IBM Research, Almaden en San José, California, que se publicó en Nature . En el artículo, los nanocientíficos demostraron la capacidad de leer y escribir un bit de datos en un átomo . . A modo de comparación, las unidades de disco duro actuales utilizan entre 100.000 y un millón de átomos para almacenar un solo bit de información.

Una sola El átomo de holmio, un elemento de tierras raras, se utiliza como el imán más pequeño del mundo para almacenar un bit de datos.

Cómo funcionó

La información más básica que entiende una computadora es un poco. Al igual que una luz que se puede encender o apagar, un bit puede tener solo uno de dos valores:1 o 0. Hasta ahora, se desconocía cuántos átomos se necesitarían para construir un bit de memoria magnética confiable.

En este estudio, los nanocientíficos crearon el imán más pequeño del mundo, un solo átomo. Similar a un imán en un refrigerador, este tenía un polo magnético norte y sur, pero consistía en un solo átomo del elemento holmio. El único átomo de holmio estaba unido a una superficie cuidadosamente elegida, el óxido de magnesio, que hacía que sus polos norte y sur se mantuvieran en una dirección estable incluso cuando eran perturbados, por ejemplo, por otros imanes cercanos. Las dos orientaciones magnéticas estables definieron el 1 y el 0 del bit. Una aguja de metal afilada de un microscopio personalizado (el microscopio de túnel de barrido, ganador del premio Nobel, inventado por IBM) introdujo una corriente que volteó los polos magnéticos norte y sur del átomo y así lo cambió entre 1 y 0. Esto correspondía al " proceso de escritura ”en una unidad de disco duro. Los nanocientíficos de IBM pudieron medir la corriente magnética que pasa por el átomo para determinar si su valor era 1 o 0. Este era el proceso de "lectura".

Conozca a los investigadores

Christopher Lutz , Investigador de nanociencia de IBM, que utiliza el microscopio ganador del premio Nobel inventado por IBM para almacenar datos en el imán más pequeño del mundo.

Christopher Lutz no es ajeno a la innovación. A la edad de nueve años, declaró a sus padres, ambos artistas, "Creo que voy a ser físico".

Sin embargo, Chris comenzó su carrera académica como científico informático. En 1985, sin dinero y energía, Chris tomó una licencia de su programa de doctorado en la UC Santa Cruz y se arriesgó en un trabajo de verano en IBM Research - Almaden. Chris construyó una computadora paralela para simular la física de los átomos, satisfaciendo su búsqueda infantil. Finalmente, Chris se asoció con el renombrado nanocientífico y miembro de IBM, Don Eigler. Más tarde, junto con Andreas Heinrich, ahora en el Centro de Nanociencia Cuántica en Seúl, publicaron una serie de investigaciones a lo largo de los últimos 25 años que emplearon su capacidad para mover átomos individuales. También crearon la película más pequeña del mundo, denominada "Un niño y su átomo", una animación en stop-motion que utiliza una secuencia de imágenes ensambladas a partir de átomos individuales.

La pasión de Chris por la nanociencia proviene de su perspectiva única del mundo. "Cuando veo el mundo, veo una serie de cálculos", dijo Chris. “Por ejemplo, una hoja que cae de un árbol realiza muchos cálculos en el proceso de caída. En una escala aproximada, su movimiento tiene en cuenta la fuerza de la gravedad y la resistencia del aire para determinar la velocidad de caída. Mire más de cerca y los movimientos de los átomos realizan cálculos intrincados para seguir las leyes de la física. Mi trabajo en IBM se centra en encontrar formas de comprender los patrones en el diminuto mundo de los átomos y cómo orientarlos para que hagan los cálculos que queremos. Por ejemplo, creamos las puertas lógicas interconectadas más pequeñas del mundo utilizando arreglos precisos de moléculas. En este estudio más reciente, un solo átomo realizó una parte esencial de la computación:almacenar un poco de datos para nosotros ”.

Hasta la fecha, Chris ha publicado docenas de estudios de nanociencia, varios de los cuales se han introducido en los planes de estudios universitarios de todo el mundo. Kai Yang, un investigador postdoctoral en IBM, que ahora trabaja con Chris, lo sabe de primera mano. Originario de una pequeña ciudad de China, Kai estudió la investigación en nanociencia de IBM en su universidad local. En un momento, cuando escuchó que miembros del equipo de nanociencia de IBM Research estaban visitando el campus de su universidad,

Nanocientíficos de IBM Christopher Lutz (izquierda) y Kai Yang (derecha) en IBM Research - Almaden en San José, California

se ofreció con entusiasmo como voluntario para servir como guía turístico del campus del equipo para poder familiarizarse con sus héroes de libros de texto. Ese viaje llevó a Kai a realizar una pasantía en el laboratorio de Almaden de IBM Research, donde trabajó con Chris Lutz y el equipo en el estudio de un bit en un átomo.

Según Kai, este fue el estudio de investigación que casi no lo fue. Después de un mes de intentar medir dos orientaciones magnéticas estables de los átomos de holmio, el equipo aún no había tenido éxito. El equipo se dio seis semanas para demostrar que el átomo de holmio es un bit magnético estable; de ​​lo contrario, el estudio concluiría. Convencidos de que podía hacer que sucediera, Kai y su equipo, incluido el científico visitante Fabian Natterer, trabajaron literalmente en el laboratorio día y noche para demostrar que se podía hacer antes de la fecha límite inminente. Finalmente, a las 4 a.m. en el laboratorio una madrugada, el equipo pudo demostrar las dos orientaciones magnéticas estables de un solo átomo de holmio. La clave fue darse cuenta de que el átomo era tan estable que tuvieron que cambiarlo activamente entre los estados, pasando un pulso de corriente eléctrica a través de él. Este fue el resultado que finalmente publicaron en Nature .

"Me alegro de que no nos dimos por vencidos", dijo Kai, quien recientemente fue contratado en IBM como investigador postdoctoral y nominado a la lista de 35 innovadores menores de 35 de MIT Tech Review basada en su trabajo histórico.

Los nanocientíficos de IBM continúan explorando el magnetismo de los átomos individuales y las formas en que interactúan, organizándolos precisamente en una superficie en estructuras que de otro modo no existirían. Las propiedades magnéticas se detectan mediante su nueva y poderosa técnica de resonancia de espín de un solo átomo, que utiliza la misma física que las imágenes de resonancia magnética, pero aplicada a átomos individuales.

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