Comment ils l'ont fait :rencontrez les nanoscientifiques d'IBM qui ont stocké des données sur un seul atome

Imaginez que vous stockiez l'intégralité de la bibliothèque iTunes de 35 millions de chansons sur un appareil de la taille d'une carte de crédit. Bien que ce ne soit pas encore possible, cela pourrait l'être un jour - grâce à une étude récente menée par des nanoscientifiques d'IBM Research - Almaden à San Jose, en Californie, publiée dans Nature . Dans l'article, les nanoscientifiques ont démontré la capacité de lire et d'écrire un bit de données sur un atome . À titre de comparaison, les disques durs d'aujourd'hui utilisent 100 000 à un million d'atomes pour stocker un seul bit d'information.

Un seul l'atome d'holmium, un élément des terres rares, est utilisé comme le plus petit aimant au monde pour stocker un bit de données.

Comment ça a fonctionné

L'information la plus élémentaire qu'un ordinateur comprend est un peu. Tout comme une lumière qui peut être allumée ou éteinte, un bit ne peut avoir qu'une des deux valeurs :1 ou 0. Jusqu'à présent, on ne savait pas combien d'atomes il faudrait pour construire un bit de mémoire magnétique fiable.

Dans cette étude, les nanoscientifiques ont créé le plus petit aimant du monde, un seul atome. Semblable à un aimant sur un réfrigérateur, celui-ci avait un pôle magnétique nord et sud, mais se composait d'un seul atome de l'élément holmium. L'unique atome d'holmium était attaché à une surface soigneusement choisie, l'oxyde de magnésium, qui faisait tenir ses pôles nord et sud dans une direction stable même lorsqu'ils étaient perturbés, par exemple, par d'autres aimants à proximité. Les deux orientations magnétiques stables définissaient le 1 et le 0 du bit. Une aiguille métallique pointue d'un microscope personnalisé (le microscope à effet tunnel inventé par IBM et lauréat du prix Nobel) a introduit un courant qui a inversé les pôles magnétiques nord et sud de l'atome et l'a ainsi modifié entre 1 et 0. Cela correspondait au " write” dans un lecteur de disque dur. Les nanoscientifiques d'IBM ont ensuite pu mesurer le courant magnétique traversant l'atome pour déterminer si sa valeur était de 1 ou de 0. C'était le processus de « lecture ».

Rencontrez les chercheurs

Christopher Lutz , chercheur IBM en nanosciences, utilisant le microscope inventé par IBM et lauréat du prix Nobel pour stocker des données sur le plus petit aimant du monde.

Christopher Lutz n'est pas étranger à l'innovation. À l'âge de neuf ans, il déclare à ses parents, tous deux artistes :« Je pense que je vais devenir physicien. »

Pourtant, Chris a commencé sa carrière universitaire en tant qu'informaticien. En 1985, à court d'argent et d'énergie, Chris a pris congé de son programme de doctorat à l'UC Santa Cruz et a tenté sa chance avec un emploi d'été chez IBM Research – Almaden. Chris a construit un ordinateur parallèle pour simuler la physique des atomes, satisfaisant ainsi sa quête d'enfance. Finalement, Chris s'est associé à Don Eigler, un nanoscientifique renommé et membre d'IBM. Plus tard rejoints par Andreas Heinrich, maintenant au Center for Quantum Nanoscience à Séoul, ils ont publié un flux de recherches au cours des 25 dernières années qui ont utilisé leur capacité à déplacer des atomes individuels. Ils ont également créé le plus petit film au monde, intitulé "Un garçon et son atome", une animation en stop-motion utilisant une séquence d'images assemblées à partir d'atomes individuels.

La passion de Chris pour les nanosciences vient de sa perspective unique sur le monde. « Quand je regarde le monde, je vois une série de calculs », a déclaré Chris. « Par exemple, une feuille tombant d'un arbre effectue de nombreux calculs en train de tomber. Sur une échelle grossière, son mouvement prend en compte l'attraction de la gravité et la résistance de l'air pour déterminer la vitesse de chute. Regardez de plus près et les mouvements des atomes effectuent des calculs complexes afin de suivre les lois de la physique. Mon travail chez IBM se concentre sur la recherche de moyens de comprendre les modèles dans le monde minuscule des atomes et sur la façon de les orienter vers les calculs que nous voulons. Par exemple, nous avons fabriqué les plus petites portes logiques interconnectées au monde en utilisant des arrangements précis de molécules. Dans cette étude la plus récente, un seul atome a effectué une partie essentielle du calcul :stocker un peu de données pour nous. »

À ce jour, Chris a publié des dizaines d'études sur les nanosciences, dont plusieurs ont été intégrées aux programmes universitaires du monde entier. Kai Yang, chercheur post-doctoral chez IBM, qui travaille désormais avec Chris, le sait de première main. Originaire d'une petite ville de Chine, Kai a étudié la recherche en nanosciences d'IBM dans son université locale. À un moment donné, lorsqu'il a entendu que des membres de l'équipe de nanosciences d'IBM Research visitaient le campus de son université, il

Nanoscientifiques IBM Christopher Lutz (à gauche) et Kai Yang (à droite) chez IBM Research – Almaden à San Jose, Californie

s'est porté volontaire avec empressement pour servir de guide touristique sur le campus de l'équipe afin qu'il puisse se familiariser avec ses héros de manuels. Cette tournée a conduit Kai à décrocher un stage au laboratoire d'IBM Research d'Almaden, où il a travaillé avec Chris Lutz et l'équipe sur l'étude un bit sur un atome.

Selon Kai, c'était l'étude de recherche qui ne l'était presque pas. Après un mois de tentative de mesure de deux orientations magnétiques stables des atomes d'holmium, l'équipe n'avait pas encore réussi. L'équipe s'est donnée six semaines pour prouver que l'atome d'holmium est un élément magnétique stable, sinon l'étude serait terminée. Convaincus qu'il pouvait y arriver, Kai et son équipe, y compris le scientifique invité Fabian Natterer, ont littéralement travaillé dans le laboratoire jour et nuit pour montrer que cela pouvait être fait dans les délais impartis. Enfin, à 4 heures du matin dans le laboratoire, un matin, l'équipe a pu démontrer les deux orientations magnétiques stables d'un seul atome d'holmium. La clé était de réaliser que l'atome était si stable qu'ils devaient le faire basculer activement entre les états, en faisant passer une impulsion de courant électrique à travers lui. C'est le résultat qu'ils ont finalement publié dans Nature .

"Je suis content que nous n'ayons pas abandonné", a déclaré Kai, qui a récemment été embauché chez IBM en tant que chercheur post-doctoral et nominé sur la liste des 35 innovateurs de moins de 35 ans du MIT Tech Review sur la base de son travail historique.

Les nanoscientifiques d'IBM continuent d'explorer le magnétisme des atomes individuels et la manière dont ils interagissent, en les organisant précisément sur une surface en structures qui n'existeraient pas autrement. Les propriétés magnétiques sont détectées à l'aide de leur nouvelle technique puissante de résonance de spin à atome unique, qui utilise la même physique que l'imagerie IRM, mais appliquée à des atomes individuels.

Enregistrer

Enregistrer

Enregistrer