研究人员开发出单个铜原子磁性内存技术

shuszhao · 发表于 2018-12-13 11:07:37

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研究人员开发出能够控制单个铜原子磁性的新技术，可望为以单个原子核进行储存和处理信息的未来铺路。不过，该技术要能实现商业化还有长路要走…
内存技术的每一次创新都源于基础研究。IBM Research的研究团队最近开发出一种新技术，能够控制单个铜原子的磁性，从而为以单个原子核进行储存和处理信息的未来铺路。不过，该技术要能实现商业化还有很长的路要走。

在最近发布于《自然纳米科技》(Nature Nanotechnology)杂志上的一篇论文中，IBM Research科学家Christopher Lutz和Kai Yang描述如何透过逐一的原子执行核磁共振(NMR)，从而控制单个原子核的磁性。核磁共振是确定分子结构的重要工具，而Lutz和Yang的研究成就在于首次使用扫描穿隧显微镜(STM)实现核磁共振。STM是IBM获得诺贝尔奖的一项发明，可用于个别观察和移动原子。

Lutz在接受《EE Times》电话采访时解释：“我们正展开纳米技术的基础研究，期望克服个别原子级的极限。由于使用了扫描穿隧显微镜技术，使我们第一次可以在看到原子并为其重新定位的环境中实现这一目标。”

STM技术让研究人员打造从原子开始的结构，并为其进行测试，使其得以了解采用自旋共振技术未来可以或想要打造什么。

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扫描穿隧显微镜(STM)技术（来源：IBM)

STM还可以对每个原子进行成像和定位，以研究NMR如何改变并响应当地环境。透过扫描STM金属针穿过表面的超尖端，STM可以感知单个原子的形状，并将原子拉进或携入所需的排列中。

“我们正在探索当一次探测一个原子时会发生什么，同时也观察其磁性。”Lutz说：“我们首先学到感知核的磁状态，接着是如何加以控制。”

在此过程中必须进行两个步骤。他说：“首先我们需要对准原子核的磁方向，而不仅仅是指向随机的方向。”研究人员透过施加从锐利金属针尖发出的无线电波，从而操控原子核的磁性。接着，将无线电波精确地调谐至原子核的固有频率。Lutz说：“此时，我们就可以透过针尖的电流接取至原子核。”

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单个铜原子核磁性的概念图。圆锥体代表铜原子的磁北极(左)和电子(右)之不同方向。核子和电子能以磁性连接(红色弹簧部份)。STM尖端的电流(如右图所示)控制原子的磁性

研究人员首先着眼于铁和钛原子中的核磁性，然后再着手研究铜。铜由于导电性佳，目前已经广泛应用在生活各方面了。然而，它的磁性并未被完全了解。Lutz说，虽然我们从来没看过1美分硬币与磁铁相吸，但当单个铜原子周围未被其他铜原子包围时，铜的磁性就会变得十分明显。“现在我们已经开始研究铜了，因为铜在核与其外部电子之间有很强的互动作用。”

Lutz说这种原子核有四种不同的量子态。研究人员目前正在探索其与量子运算相同的成份。然而，他们正以比量子运算所需更短的同调时间存取环境。正确地说，对于可能赋予内存的意义是，诸如磁阻式随机存取内存(MRAM)等磁性内存大约需要十万个原子才能储存1位的数据。“那就是磁定向可以产生1个1或0的双态组件。我们并为其缩小了十万倍，因而可以在未来尽可能地拓展目标。”

Lutz无法推测这一基础研究何时可能实现商业应用，毕竟它目前还处于早期阶段。他说：“我们接下来的步骤将是建立磁原子数组。我们已经开始练习组装原子了，这同时也是未来每一种新原子的新研究方向。”