Исследователи из Технологического университета Дельфта, Нидерланды, разработали метод, позволяющий производить одновременное и независимое управление двумя типами магнетизма единственного атома. Данное достижение имеет очень важное значение для миниатюризации устройств хранения информации следующего поколения, ведь эта новая технология позволит сохранять по два бита данных в пределах одной крошечной ячейки памяти, в роли которой выступает отдельный атом.
Магнетизм атома является результатом движения электронов вокруг его ядра. Вращательные движения электронов, в свою очередь, могут быть разделены на два типа. «Все это очень похоже на Землю, вращающуюся вокруг Солнца» — пишут исследователи, — «С одной стороны Земля вращается вокруг Солнца, что занимает ровно один год. С другой стороны Земля вращается вокруг своей оси, что приводит к смене дня и ночи». Практически тоже самое происходит и с электроном атома, его вращение вокруг ядра называют орбитальным угловым моментом, а его же вращение вокруг собственной оси называют спином.
Каждый из упомянутых выше двух типов вращения электроном может использоваться для хранения информации. Орбитальное вращение может быть направлено условно в направлении или против направления движения часовой стрелки, что можно сопоставить со значениями логического 0 и 1 соответственно. И точно также спин электрона может иметь два дискретных направления. Таким образом, возникает возможность записи и хранения в одном атоме двух бит информации. «Но на практике с этим возникают большие сложности» — пишут исследователи, — «Любое изменение направления орбитального вращения электрона приводит к изменению спина и наоборот».
Однако, исследователям из Дельфта, при помощи их коллег из Испании и Чили, удалось найти способ, позволяющий изменять направление орбитального вращения электрона, не затрагивая его спин. В основе этого способа лежит явление, предсказанное в свое время Альбертом Эйнштейном и голландским физиком Вандером Йоханнесом де Хаазом (Wander Johannes de Haas), которое заключается в том, что изменение орбитального вращения может быть компенсировано вращением окружающей среды (в данном случае кусочка металла), в которой находится атом. Отметим, что данный эффект еще не наблюдался ранее в масштабе единичных атомов, не говоря уже о его практическом использовании для управления магнетизмом этих единичных атомов.
В своих экспериментах ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, очень острая игла зонда которого может перемещать отдельные атомы. В обычных условиях атом, обладающий магнетизмом, начинает взаимодействовать с такими же атомами, находящимися неподалеку, что вызывает нежелательные (в данном случае) эффекты. Однако, поместив магнитный атом железа точно поверх абсолютно немагнитного атома азота, ученые создали «идеальную геометрию» атомарной ячейки памяти, которая позволила разделить орбитальный угловой момент электрона и его спин.
Однако, не стоит ожидать в ближайшем времени появления «атомарных двухбитовых» устройств хранения информации, емкость которых в многие тысячи раз будет превышать емкость самых лучших из современных носителей информации. «Сейчас мы только научились управлять положением атомов и параметрами движения электронов вокруг их ядер» — пишут исследователи, — «Теперь нам надо адаптировать новые методы под реалии современного производства, что, по нашему мнению, является намного более сложной задачей».
