ביטים בגודל של אטום בודד

חוקרים ממעבדת המחקר של חברת IBM בקליפורניה הראו שהם יכולים לשלוט במצב המגנטי של אטומי הולמיום (Ho) בודדים, וגם למדוד בו-זמנית את מצבם של שני אטומים. כך הם הראו שאפשר לכאורה ליצור התקן אחסון מגנטי (למשל כונן קשיח) שגודל היחידות בו יהיה אטומים בודדים – קטן במיוחד.

המידע הדיגיטלי השמור במחשב מיוצג על ידי ספרות בינאריות: 0 ו-1, וכל יחידה כזאת נקראת  ביט. את הספרות האלה יכולים לייצג הרבה דברים גשמיים, כגון הימצאות מטען חשמלי או היעדרו שמייצגים את המצב 0 או 1. דרך נפוצה נוספת לייצג ביטים היא על ידי מצב מגנטי: כאשר החומר ממוגנט בכיוון אחד המשמעות הוא 0, וכשהוא ממוגנט לכיוון השני המשמעות היא 1. כך בדיוק נשמר המידע בקלטות האודיו והווידאו הישנות, שהשתמשו בסרט שאפשר היה למגנט בו אזורים מסוימים. באותה דרך מיוצגים הביטים גם בכוננים קשיחים (הארד דיסקים), שבהם מחט מגנטית יכולה למגנט או לקרוא את כיוון השדה המגנטי של האזורים השונים.

גודל האזור הקטן ביותר שאפשר למגנט באופן יציב מכתיב את הגודל הפיזי של הביט בהתקן, ולכן את הגודל של ההתקן יחסית לכמות הזיכרון שהוא מאחסן. בטכנולוגיה הנפוצה היום, ביט תופס כ-900 ננומטרים רבועים.

לחשוב בקטן

מהו הגודל הקטן ביותר שאליו אפשר להגיע? במאמר שפרסמו בכתב העת Nature הדגימו החוקרים קריאה וכתיבה נפרדת של המצב המגנטי של שני אטומי הולמיום שנמצאו במרחק של ננומטר אחד בלבד (מיליארדית המטר) זה מזה. ההדגמה של קריאה וכתיבה נפרדת חשובה ביותר, שכן השדות המגנטיים של הביט עצמו עלולים לייצר הפרעות בביטים שכנים וכך לשבש את המידע השמור בהם.

החוקרים השתמשו במיקרוסקופ מינהור סורק (STM), שבו מעבירים באמצעות מחט מתכתית זרם חשמלי דרך החומר הנבדק. עוצמת הזרם החשמלי תלויה במרחק בין המחט לחומר, וכך אפשר "לראות" אטומים בודדים על פני משטח הדוגמה. את המצב המגנטי של אטומי ההולמיום אפשר לקרוא ולשנות אם מעבירים בהם זרם חשמלי. החוקרים הראו כך שאפשר להשתמש באטום הולמיום אחד כביט.

בשלב השני היה עליהם להוכיח שאפשר להשתמש בכמה אטומי הולמיום בלי שיפריעו זה לזה. לשם כך הציבו שני אטומי הולמיום במרחק של פחות מננומטר זה מזה. אליהם הוסיפו אטום ברזל (שהוא חומר מגנטי) כך שיווצר משולש. הברזל נועד לאפשר את קריאת המצב של שני האטומים, שיכול להיות אחד מתוך ארבעה אפשריים: 00, 01, 10 או 11.

החוקרים "כתבו" כל אחד מהמצבים הללו אל תוך הביטים האטומיים והראו שהקריאה המתקבלת של המצב המגנטי של אטום הברזל שונה בכל אחד מהם. כך הוכיחו שאכן אפשר לשלב כמה ביטים ביחד ולקרוא אותם בלי ליצור הפרעה שתשנה את המידע השמור בהם.

המאמר מציג פריצת דרך משמעותית בתחום, אך עדיין נותרו בעיות טכנולוגיות רבות לפתור לפני שנראה התקני אחסון אטומיים בחנויות. ראשית, השילוב הודגם על שני ביטים בלבד. ייתכן שבמערך צפוף יותר, שכולל ביטים רבים, ייווצרו ביניהם יחסי גומלין בלתי צפויים.

שנית, הניסוי נערך במכשור מעבדתי מתקדם ויקר שאינו נגיש כלל לציבור הרחב. לצורך הניסוי השתמשו במעבדות IBM במיקרוסקופ המינהור הסורק המתקדם ביותר שפיתחו וערכו את כולו בטמפרטורה נמוכה במיוחד של 4-1 מעלות מעל לאפס המוחלט. הטמפרטורה הנמוכה הזאת עוזרת למצב המגנטי של אטומי ההולמיום להחזיק מעמד במשך שעות. ייתכן שכאשר האטומים יהיו בטמפרטורת החדר, האנרגיה התרמית שלהם (שהיא האנרגיה שיש להם מעצם העובדה שהם בטמפרטורה שעולה על האפס המוחלט) תגרום למצב המגנטי שלהם להתהפך מעצמו – והמידע שיאוחסן בהם יאבד.

למרות הקושי בתרגום הניסוי ליישומים טכנולוגיים, כבר הוכחת הפוטנציאל היא צעד משמעותי. בנוסף, המערכת הפיזיקלית יכולה לשמש לחקר אינטראקציות מגנטיות בין אטומים בטווח קרוב.

צפו בסרטון של המכון למדע בסיסי (IBS)  על המחקר (באנגלית):