IBM 나노과학자들, 단일 원자에 데이터 비트 저장 – 초소형 메모리 돌파구

3,500만 곡의 아이튠즈 라이브러리 전체가 신용카드 크기 장치에 들어가는 상상을 해보세요. 아직 꿈이지만, 캘리포니아 산호세 IBM 리서치-알마덴의 최근 연구가 그 현실에 한 걸음 더 다가가게 했습니다. Nature에 게재된 이 연구는 단일 원자 위에 데이터 1비트를 읽고 쓰는 방법을 보여줍니다. 놀랍게도 일반 하드디스크 드라이브는 단일 비트에 10만~100만 원자를 사용합니다.

단일 홀뮴 원자, 희토류 원소가 세계 최소 자석으로 1비트 데이터를 인코딩합니다.

작동 원리

비트(정보의 기본 단위)는 전구 스위치처럼 0 또는 1 값만 가질 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 자기 비트를 만드는 데 필요한 최소 원자 수를 결정하는 것은 오랜 과제였습니다. 이 연구에서 팀은 세계 최소 자석을 설계했습니다: 단일 홀뮴 원자. 산화 마그네슘 표면에 부착된 이 원자의 북극과 남극은 이웃 자석이 간섭해도 안정적으로 정렬된 상태를 유지합니다. 이 두 방향이 비트의 0과 1을 정의합니다.

IBM이 발명하고 노벨상을 수상한 주사 터널링 현미경(STM)이 집중 전류를 전달해 원자의 자기 방향을 뒤집어 '쓰기' 동작을 가능하게 합니다. 같은 STM이 결과 자기 전류를 측정해 비트 값을 읽습니다. 이 이중 읽기/쓰기 능력은 원자 스케일 메모리 기술의 중요한 이정표입니다.

연구자들 만나기

크리스토퍼 루츠, IBM 나노과학 연구원, STM으로 세계 최소 자석에 데이터 기록.

컴퓨터 과학 배경의 물리학자 크리스토퍼 루츠는 원자 스케일 조작의 선구자였습니다. UC 산타크루즈 박사 과정에서 잠시 휴식 후 1985년 IBM 리서치-알마덴에 합류해 원자 물리 시뮬레이션용 병렬 컴퓨터를 구축했습니다. 노벨상 수상자 돈 아이글러, 이후 안드레아스 하인리히와 협업해 25년 이상 획기적 연구를 이끌었으며, 세계 최소 영화 '소년과 그의 원자' 제작도 포함됩니다.

"세상을 일련의 계산으로 봅니다." 루츠는 설명합니다. "나노미터 정밀도로 원자를 배열해 로직 게이트를 만들고, 이 연구에서 보듯 단일 원자가 데이터 비트를 신뢰성 있게 저장할 수 있습니다."

중국 소도시 출신 박사후연구원 카이 양은 IBM 방문 중 캠퍼스 투어 가이드 자원봉사 후 팀에 합류했습니다. 그는 프로젝트가 실패 직전까지 갔던 것을 회상합니다: 두 안정적 자기 상태 검출 실패로 한 달 후 6주 마감일을 앞두고 주야로 일하다 새벽 4시 돌파구 펄스 전류 기술로 성공해 Nature에 게재했습니다.

IBM 나노과학자 크리스토퍼 루츠(왼쪽)와 카이 양(오른쪽), IBM 리서치-알마덴.

이 작업 덕분에 양은 MIT 테크놀로지 리뷰 '35세 이하 35혁신가'로 인정받아 현재 IBM 박사후연구원으로 근무합니다.

앞으로 팀은 개별 원자 자성과 상호작용을 계속 탐구합니다. 표면 위 원자들을 새로운 구조로 배열해 단일 원자 스핀 공명(MRI 영감 기술)으로 미세한 자성 특성을 전례 없는 분해능으로 탐구합니다.

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