Bagaimana Mereka Melakukannya:Temui Nanoscientists IBM yang Menyimpan Data pada Atom Tunggal

Bayangkan menyimpan seluruh perpustakaan iTunes dari 35 juta lagu di perangkat seukuran kartu kredit. Meskipun belum mungkin, mungkin suatu hari nanti – berkat penelitian terbaru oleh ilmuwan nano di IBM Research – Almaden di San Jose, California yang diterbitkan di Nature . Dalam makalah tersebut, para ilmuwan nano mendemonstrasikan kemampuan membaca dan menulis satu bit data pada satu atom . Sebagai perbandingan, hard disk drive saat ini menggunakan 100.000 hingga satu juta atom untuk menyimpan satu bit informasi.

Satu atom holmium, elemen tanah jarang, digunakan sebagai magnet terkecil di dunia untuk menyimpan satu bit data.

Cara Kerjanya

Bagian paling dasar dari informasi yang komputer mengerti adalah sedikit. Sama seperti lampu yang dapat dinyalakan atau dimatikan, bit hanya dapat memiliki satu dari dua nilai:1 atau 0. Hingga saat ini, tidak diketahui berapa sedikit atom yang diperlukan untuk membangun bit memori magnetik yang andal.

Dalam studi ini, ilmuwan nano menciptakan magnet terkecil di dunia, sebuah atom tunggal. Mirip dengan magnet di lemari es, magnet ini memiliki kutub magnet utara dan selatan, tetapi hanya terdiri dari satu atom elemen holmium. Atom holmium tunggal melekat pada permukaan yang dipilih dengan cermat, magnesium oksida, yang membuat kutub utara dan selatannya tetap dalam arah yang stabil bahkan ketika terganggu, misalnya, oleh magnet lain di dekatnya. Dua orientasi magnet yang stabil mendefinisikan 1 dan 0 bit. Jarum logam tajam dari mikroskop khusus (mikroskop tunneling pemindaian pemenang hadiah Nobel yang ditemukan IBM) memperkenalkan arus yang membalik kutub utara dan selatan magnet atom dan dengan demikian mengubahnya antara 1 dan 0. Ini sesuai dengan " menulis” dalam drive hard disk. Para ilmuwan nano IBM kemudian dapat mengukur arus magnetik yang melewati atom untuk menentukan apakah nilainya 1 atau 0. Ini adalah proses “baca”.

Temui Peneliti

Christopher Lutz , peneliti nanosains IBM, menggunakan mikroskop pemenang hadiah Nobel penemuan IBM untuk menyimpan data pada magnet terkecil di dunia.

Christopher Lutz tidak asing dengan inovasi. Pada usia sembilan tahun, ia menyatakan kepada orang tuanya, keduanya seniman, "Saya pikir saya akan menjadi fisikawan."

Namun, Chris memulai karir akademisnya sebagai ilmuwan komputer. Pada tahun 1985, karena uang dan tenaga, Chris mengambil cuti dari program doktoral UC Santa Cruz dan mengambil kesempatan untuk pekerjaan musim panas di IBM Research – Almaden. Chris membangun komputer paralel untuk mensimulasikan fisika atom, memuaskan pencarian masa kecilnya. Akhirnya, Chris bekerja sama dengan ilmuwan nano terkenal dan rekan IBM, Don Eigler. Kemudian bergabung dengan Andreas Heinrich, sekarang di Center for Quantum Nanoscience di Seoul, mereka menerbitkan aliran penelitian selama 25 tahun terakhir yang menggunakan kemampuan mereka untuk memindahkan atom individu. Mereka juga membuat film terkecil di dunia, yang dijuluki "A Boy and His Atom", sebuah animasi stop-motion menggunakan urutan gambar yang dikumpulkan dari atom individu.

Gairah Chris untuk nanosains berasal dari perspektif uniknya tentang dunia. “Ketika saya melihat dunia, saya melihat serangkaian perhitungan,” kata Chris. “Misalnya, daun yang jatuh dari pohon melakukan banyak perhitungan dalam proses jatuhnya. Pada skala kasar, gerakannya memperhitungkan tarikan gravitasi dan hambatan udara untuk menentukan kecepatan jatuh. Lihatlah lebih dekat dan gerakan atom melakukan perhitungan rumit untuk mengikuti hukum fisika. Pekerjaan saya di IBM berpusat pada menemukan cara untuk memahami pola di dunia atom yang kecil dan bagaimana mengarahkan mereka untuk melakukan perhitungan yang kita inginkan. Misalnya, kami membuat gerbang logika interkoneksi terkecil di dunia dengan menggunakan susunan molekul yang tepat. Dalam studi terbaru ini, satu atom melakukan bagian penting dari komputasi:menyimpan sedikit data untuk kami.”

Sampai saat ini, Chris telah menerbitkan lusinan studi nanosains, beberapa di antaranya telah masuk ke kurikulum universitas di seluruh dunia. Kai Yang, seorang peneliti pasca-doktoral di IBM, yang sekarang bekerja dengan Chris, mengetahui hal ini secara langsung. Berasal dari kota kecil di Cina, Kai mempelajari penelitian nanosains IBM di universitas setempat. Pada satu titik, ketika dia mendengar bahwa anggota tim nanosains IBM Research mengunjungi kampusnya, dia

ilmuwan nano IBM Christopher Lutz (kiri) dan Kai Yang (kanan) di IBM Research – Almaden di San Jose, California.

dengan penuh semangat menawarkan diri untuk menjadi pemandu wisata kampus tim sehingga dia bisa berkenalan dengan pahlawan buku teksnya. Tur itu membuat Kai mendapatkan magang di lab Almaden IBM Research, di mana dia bekerja dengan Chris Lutz dan tim dalam studi satu-bit-satu-atom.

Menurut Kai, ini adalah studi penelitian yang hampir tidak ada. Setelah satu bulan mencoba mengukur dua orientasi magnet stabil dari atom holmium, tim belum berhasil. Tim memberi waktu enam minggu untuk membuktikan atom holmium adalah bit magnetik yang stabil jika tidak, penelitian akan disimpulkan. Yakin dia bisa mewujudkannya, Kai dan timnya, termasuk ilmuwan tamu Fabian Natterer, benar-benar bekerja di lab siang dan malam untuk menunjukkan bahwa itu bisa dilakukan dengan tenggat waktu yang akan datang. Akhirnya, pada pukul 4 pagi di lab pada suatu pagi, tim dapat menunjukkan dua orientasi magnet yang stabil dari satu atom holmium. Kuncinya adalah menyadari bahwa atom begitu stabil sehingga mereka harus secara aktif mengubahnya di antara keadaan, dengan menjalankan pulsa arus listrik melaluinya. Ini adalah hasil yang akhirnya mereka publikasikan di Nature .

“Saya senang kami tidak menyerah,” kata Kai, yang baru-baru ini dipekerjakan di IBM sebagai peneliti pasca-doktoral dan dinominasikan ke daftar 35 Innovator Under 35 MIT Tech Review berdasarkan karyanya yang bersejarah.

Para ilmuwan nano IBM terus mengeksplorasi magnet atom individu dan cara di mana mereka berinteraksi, dengan mengatur mereka tepat di permukaan menjadi struktur yang tidak akan ada. Sifat magnetik dirasakan menggunakan teknik baru yang kuat dari resonansi spin atom tunggal, yang menggunakan fisika yang sama seperti pencitraan MRI, tetapi diterapkan pada atom individu.

Simpan

Simpan

Simpan