Использование сканирующего туннельного микроскопа позволило ученым достичь этой цели.
Ученые из Делфтского технологического университета добились возможности независимо контролировать два различных вида магнетизма в пределах одного атома. Это открывает перспективу хранения двух битов информации в одном-единственном атоме. Результаты исследования представлены в статье опубликована в издании NPJ Quantum Materials.
Атомарный магнетизм возникает из-за движения электронов вокруг ядра. Это вращение может быть двух видов. «Представьте себе Землю, вращающуюся вокруг Солнца, – поясняет Сандер Отте, руководитель исследования. – Она совершает оборот вокруг Солнца, определяя годовые циклы, и одновременно вращается вокруг своей оси, что приводит к смене дня и ночи».
Электрон совершает вращение как вокруг атомного ядра, так и вокруг своей собственной оси. В связи с этим, у этой частицы присутствуют два угловых момента: орбитальный, возникающий вследствие движения по ядерной орбите, и спиновый, определяемый вращением частицы вокруг своей оси.
Ориентацию каждого из этих движений можно использовать для кодирования данных. Например, орбитальное вращение может быть направлено по часовой стрелке или против нее. Соответственно, эти два направления могут представлять значения двоичной системы — 0 и 1. Подобная логика применима и к спиновому вращению. В теории это позволяет хранить сразу два бита информации в одном атоме. «Однако на практике это довольно сложно», — отмечает Сандер Отте. — Если изменить направление орбитального вращения на противоположное, спин, как правило, также меняется».
В ходе исследования, проведенного в Делфтском университете, ученые выявили способ управления орбитальным вращением частицы, не затрагивая при этом ее спин. Этот эффект обусловлен так называемым эффектом Эйнштейна — де Хааза — Ричардсона, суть которого заключается в том, что ферромагнетик, подвергающийся намагничиванию вдоль определенной оси, получает вращательный импульс, пропорциональный величине приобретенной намагниченности. Следовательно, изменение направления орбитального движения атома можно нейтрализовать, намагничивая металл, в котором этот атом находится.
Для проведения экспериментов ученые применяли сканирующий туннельный микроскоп, который использует сверхтонкую иглу для воздействия на атомы с подачей небольшого электрического потенциала. Обычно каждый атом ферромагнетика взаимодействует с несколькими соседними атомами, что затрудняет проведение манипуляций. В ходе нового исследования физикам удалось достичь полного разделения между орбитальным и спиновым вращением, расположив атом железа с помощью иглы микроскопа непосредственно над отдельным немагнитным атомом азота в нитриде двухвалентной меди (Cu 2N) или аурикуприде (Cu3Au).
Запасание каждого атома несколькими битами информации позволило бы значительно увеличить текущую максимальную емкость памяти. Тем не менее, Отте отмечает, что до реализации коммерческого атомарного хранения данных предстоит преодолеть еще немалый путь: «Наиболее важный итог заключается в том, что мы сделали еще один шаг к совершенствованию управления атомами и, что немаловажно, электронами, которые их окружают. Это само по себе является значительным достижением».
Ранее физики из Университетского колледжа Лондона столкнулись с трудностями в объяснении необычного поведение частиц позитрония, а их коллеги из Принстонского университета оценили шансы человека пережить попадание в кротовую нору.