AI科技評論按：不知道大家是否曾經(jīng)幻想過這樣的場景：有朝一日我們能夠?qū)?iTunes 曲庫中的 3500 萬首歌曲存儲在一張只有信用卡大小的設(shè)備當(dāng)中。盡管這樣的理想很美好，然而目前的技術(shù)卻尚無法實現(xiàn)。最近，IBM加利福利亞州圣荷西研究院的納米科學(xué)家們在《自然》雜志上發(fā)表了最新研究成果，使得這個理想在將來成為了可能。在研究中，納米科學(xué)家們證明了在單個原子上讀取和寫入1 bit數(shù)據(jù)的能力，而目前的硬盤驅(qū)動器為了存儲這1 bit數(shù)據(jù)信息，則需要使用大概10萬到100萬個原子。

“充電”時刻

在計算機中數(shù)據(jù)存儲的基本單位是比特（bit）。就像一盞燈存在被打開和被關(guān)閉兩種狀態(tài)，1 bit也僅有0或1兩個取值并且在某一時刻只能取兩個值中的一個。雖然比特的基本原理看似挺簡單的，但是至少需要使用多少個原子才能構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠的磁存儲器位？這個問題在此前卻一直是個未知數(shù)。

而在這次的發(fā)布的研究工作中，納米科學(xué)家創(chuàng)造了世界上最小的磁體——一個原子。如同冰箱中的磁體一般，這個磁體也具有南北磁極，但是僅僅由鈥（Ho）元素的單個原子組成。這個單一的鈥原子被放置在精心挑選的氧化鎂表面上，從而使得鈥原子的南磁極和北磁極即使在受到附近其它磁體干擾的時候也依然能保持穩(wěn)定，并且這兩個穩(wěn)定的磁極方向分別定義了位的1和0狀態(tài)。

使用單一原子存儲位數(shù)據(jù)的過程可以通過隧道掃描顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，由IBM發(fā)明并且獲得了諾貝爾獎）上的尖銳金屬針，引入能夠翻轉(zhuǎn)原子南磁極和北磁極的電流，從而使得原子能在狀態(tài)1和0之間進行變換，而這一過程就好似機械硬盤中的寫入操作。IBM的納米科學(xué)家則可以測量通過原子的磁通電流，來判斷該原子處于狀態(tài)1或者0，而這就是讀取位數(shù)據(jù)的過程。

走近科學(xué)家

在本次研究工作中貢獻最大的納米科學(xué)家之一就是Christopher Lutz。他對于創(chuàng)新發(fā)明可以說早就習(xí)以為常，早在9歲的時候就曾向兩位同是藝術(shù)家的父母宣稱自己未來想要成一名物理學(xué)家。

不過有趣的是Chris卻是以計算機科學(xué)家的身份開啟了自己的學(xué)術(shù)生涯。1985年由于缺乏資金和精力，Chris選擇從加州大學(xué)圣克魯斯分校的博士課程中休假并進入IBM研究院Almaden實驗室打起了暑假工，在這期間Chiris搭建了一臺并行計算機來模擬原子物理學(xué)以滿足童年的夢想。最終，Chris與著名的納米科學(xué)家同時也是他在IBM的同事Don Eigler進行合作，在20世紀90年代發(fā)表了一系列與單原子運動有關(guān)的研究成果。此外Chris還幫助創(chuàng)造了世界上最小的電影——《A Boy and His Atom》，這是一個通過使用由單個原子組成的靜態(tài)序列圖像所制成的動畫。

Chris對于納米科學(xué)的熱情來源于他對世界的獨特見解。他說：“當(dāng)我在觀察這個世界的時候，我看到了一系列的運算。比如，一片葉子從樹上掉落下來這個過程就涉及到很多的運算。在粗尺度上看，這片葉子的運動速度受到重力和空氣阻力的共同影響，而從更加微觀的角度來看，組成葉子的眾多原子為了讓葉子的運動符合宏觀的物理規(guī)律，這些原子的運動將涉及更加錯綜復(fù)雜的運算。我在IBM的工作集中在尋找了解微觀世界中原子運動模式的方法以及如何引導(dǎo)原子進行我們想要的計算。例如，我們通過使用精確的分子排列制造了世界上最小的互聯(lián)邏輯門。而在最近的研究當(dāng)中，單個原子則在執(zhí)行運算中扮演了一個非常重要的角色——位數(shù)據(jù)存儲?！?/span>

迄今為止，Chris已經(jīng)發(fā)表了數(shù)十項與納米科學(xué)研究有關(guān)的報告，其中幾項更是已經(jīng)被納入了全球大學(xué)課程當(dāng)中。而在本次單原子存儲位數(shù)據(jù)的研究工作中另一位重要的成員則是來自于中國的 Kai Yang。 Kai Yang 現(xiàn)在是IBM博士后研究員并且跟隨著Chris一起工作，而在此前 Kai Yang 曾在大學(xué)期間學(xué)習(xí)了 IBM 的納米學(xué)研究。在 Kai Yang 讀大學(xué)期間，IBM研究院納米科學(xué)家團隊曾到訪過他所在的學(xué)校，而他也熱情地擔(dān)任起了校園導(dǎo)游，而這次經(jīng)歷也幫助 Kai Yang 進入了IBM研究院Almaden實驗室。

據(jù) Kai Yang 介紹，在他們之前，還沒有人做過在單個原子上存儲位數(shù)據(jù)這樣的研究工作。最開始，他們團隊花費了整整一個月的時間，測量鈥原子具有兩個穩(wěn)定的磁性取向，但卻以失敗告終，然而預(yù)定的時間只有六周。所以為了趕在截止日前完成這項工作，大家開始不分晝夜地進行研究與實驗。最終趕在截止日期之前，Kai Yang 與團隊其他成員在實驗室里成功證明了單一鈥原子具有兩個穩(wěn)定的磁性取向。而這項研究的關(guān)鍵就是發(fā)現(xiàn)鈥原子是如此的穩(wěn)定，以至于它們需要利用脈沖電流才能使得鈥原子狀態(tài)發(fā)生變化。在這之后，該項研究工作的成果便被整理并發(fā)布于《自然》雜志上。

Kai Yang 在最近被聘請為IBM博士后研究員，并且因為這一具有里程碑意義的工作，他還被提名為MIT Tech Review's 35 Innovators之一。

IBM納米科學(xué)家們還在通過將原子準確地排列成某種自然條件下不會存在的結(jié)構(gòu)，以繼續(xù)探索單個原子的磁性，以及它們相互作用的方式。

本文原英文地址： How They Did It: Meet the IBM Nanoscientists who Stored Data on a Single Atom （https://www.ibm.com/blogs/research/2017/03/meet-ibm-nanoscientists/）

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