그들이 한 일:단일 원자에 데이터를 저장한 IBM 나노과학자 만나기

신용 카드 크기의 장치에 3,500만 곡의 전체 iTunes 라이브러리를 저장한다고 상상해 보십시오. 아직까지는 불가능하지만 언젠가는 가능할 수 있습니다. 최근 IBM Research의 나노 과학자들이 수행한 연구 덕분에 캘리포니아 산호세의 Almaden이 Nature에 게재되었습니다. . 이 논문에서 나노과학자들은 하나의 원자에서 1비트의 데이터를 읽고 쓸 수 있는 능력을 보여주었습니다. . 비교를 위해 오늘날의 하드 디스크 드라이브는 1비트의 정보를 저장하는 데 100,000~100만 개의 원자를 사용합니다.

단일 희토류 원소인 홀뮴 원자는 1비트의 데이터를 저장하는 세계에서 가장 작은 자석으로 사용됩니다.

작동 방식

컴퓨터가 이해하는 가장 기본적인 정보는 비트입니다. 켜거나 끌 수 있는 조명과 마찬가지로 비트는 1 또는 0의 두 가지 값 중 하나만 가질 수 있습니다. 지금까지 신뢰할 수 있는 자기 메모리 비트를 만드는 데 필요한 원자의 수는 알려지지 않았습니다.

이 연구에서 나노 과학자들은 세계에서 가장 작은 자석인 단일 원자를 만들었습니다. 냉장고의 자석과 유사하게, 이 자석은 북극과 남극을 가지고 있지만 홀뮴 원소의 단 하나의 원자로 구성되어 있습니다. 단일 홀뮴 원자는 신중하게 선택된 표면인 산화마그네슘에 부착되어 예를 들어 근처의 다른 자석에 의해 방해를 받을 때에도 북극과 남극이 안정적인 방향으로 유지되도록 했습니다. 두 개의 안정적인 자기 방향이 비트의 1과 0을 정의했습니다. 맞춤형 현미경(IBM이 발명, 노벨상을 수상한 주사 터널링 현미경)의 날카로운 금속 바늘은 원자의 자기 북극과 남극을 뒤집어 1과 0 사이에서 변화시키는 전류를 도입했습니다. 이것은 " 쓰기” 프로세스를 하드 디스크 드라이브에서 수행합니다. 그런 다음 IBM 나노과학자들은 원자를 통과하는 자기 전류를 측정하여 원자의 값이 1인지 0인지 결정할 수 있었습니다. 이것이 "읽기" 과정이었습니다.

연구원 만나기

크리스토퍼 러츠 , IBM 나노과학 연구원, IBM이 발명한 노벨상 수상 현미경을 사용하여 세계에서 가장 작은 자석에 데이터를 저장합니다.

Christopher Lutz는 혁신에 대해 낯선 사람이 아닙니다. 9살 때 그는 두 예술가 모두 부모에게 "나는 물리학자가 될 것 같아요"라고 선언했습니다.

그러나 Chris는 컴퓨터 과학자로서 학문적 경력을 시작했습니다. 1985년, Chris는 돈과 에너지가 부족하여 UC Santa Cruz 박사 과정을 휴학하고 IBM Research(Almaden)에서 여름 일을 할 기회를 얻었습니다. Chris는 어린 시절의 탐구를 만족시키기 위해 원자 물리학을 시뮬레이션하기 위해 병렬 컴퓨터를 만들었습니다. 결국 Chris는 유명한 나노 과학자이자 IBM 동료인 Don Eigler와 협력했습니다. 나중에 Andreas Heinrich와 합류하여 현재 서울에 있는 양자 나노과학 센터에 있으며 개별 원자를 움직이는 능력을 사용한 지난 25년 동안의 일련의 연구를 발표했습니다. 그들은 또한 개별 원자에서 조립된 일련의 이미지를 사용하여 스톱 모션 애니메이션인 "A Boy and His Atom"이라는 세계에서 가장 작은 영화를 만들었습니다.

나노과학에 대한 Chris의 열정은 세상에 대한 독특한 관점에서 비롯됩니다. Chris는 "세상을 볼 때 일련의 계산을 봅니다. “예를 들어, 나무에서 떨어지는 잎은 떨어지는 과정에서 많은 계산을 수행합니다. 대략적인 규모에서 운동은 중력의 당기는 힘과 공기의 저항을 고려하여 낙하 속도를 결정합니다. 자세히 보면 원자의 운동은 물리 법칙을 따르기 위해 복잡한 계산을 수행합니다. IBM에서 나의 작업은 원자의 작은 세계에서 패턴을 이해하는 방법과 원하는 계산을 수행하도록 유도하는 방법을 찾는 데 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 분자의 정확한 배열을 사용하여 세계에서 가장 작은 상호 연결된 논리 게이트를 만들었습니다. 가장 최근의 이 연구에서 단일 원자는 계산의 필수적인 부분인 우리를 위해 약간의 데이터를 저장하는 역할을 수행했습니다."

현재까지 Chris는 수십 개의 나노과학 연구를 발표했으며 그 중 일부는 전 세계 대학 커리큘럼에 포함되었습니다. 현재 Chris와 함께 일하고 있는 IBM의 박사 후 연구원인 Kai Yang은 이것을 직접 알고 있습니다. 원래 중국의 작은 도시 출신인 Kai는 지역 대학에서 IBM의 나노과학 연구를 공부했습니다. 어느 시점에서 그는 IBM Research 나노과학 팀의 구성원들이 자신의 대학 캠퍼스를 방문한다는 소식을 들었을 때

IBM 나노과학자 IBM Research – 캘리포니아 산호세에 있는 Almaden의 Christopher Lutz(왼쪽)와 Kai Yang(오른쪽)

그는 교과서적인 영웅들과 친해질 수 있도록 팀의 캠퍼스 투어 가이드 역할을 기꺼이 자원했습니다. 이 투어를 통해 Kai는 IBM Research의 Almaden 연구소에서 인턴십을 시작했으며 그곳에서 Chris Lutz 및 팀과 함께 1비트 대 1 원자 연구에 참여했습니다.

Kai에 따르면 이것은 거의 그렇지 않은 연구였습니다. 한 달 동안 홀뮴 원자의 두 가지 안정적인 자기 방향을 측정하려고 시도했지만 팀은 아직 성공하지 못했습니다. 팀은 홀뮴 원자가 안정적인 자기 비트임을 입증하는 데 6주가 걸렸습니다. 그렇지 않으면 연구는 결론이 날 것입니다. 그가 해낼 수 있다고 확신한 Kai와 방문 과학자 Fabian Natterer를 포함한 그의 팀은 말 그대로 밤낮으로 실험실에서 일하면서 임박한 마감일까지 완료될 수 있음을 보여주었습니다. 마침내 어느 이른 아침 실험실에서 오전 4시에 팀은 단일 홀뮴 원자의 두 가지 안정적인 자기 방향을 입증할 수 있었습니다. 핵심은 원자가 너무 안정적이어서 원자를 통해 전류 펄스를 흐르게 함으로써 원자를 상태 사이에서 능동적으로 전환해야 한다는 것을 깨닫는 것이었습니다. 이것이 그들이 결국 Nature에 게재한 결과입니다. .

최근에 IBM에서 박사후 연구원으로 채용되어 획기적인 업적을 기반으로 MIT Tech Review의 35세 미만 혁신가 35인에 지명된 Kai는 "포기하지 않아 기쁩니다.

IBM 나노과학자들은 개별 원자의 자성과 상호작용 방식을 계속 탐구하고 있으며, 그렇지 않으면 존재하지 않을 구조로 표면에 정확하게 배열합니다. 자기 특성은 MRI 영상과 동일한 물리학을 사용하지만 개별 원자에 적용되는 강력한 새로운 단일 원자 스핀 공명 기술을 사용하여 감지됩니다.

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