記憶體技術的每一次創新都源於基礎研究。IBM Research的研究團隊最近開發出一種新技術,能夠控制單個銅原子的磁性,從而為以單個原子核進行儲存和處理資訊的未來鋪路。不過,該技術要能實現商業化還有很長的路要走。

在最近發佈於《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)雜誌上的一篇論文中,IBM Research科學家Christopher Lutz和Kai Yang描述如何透過逐一的原子執行核磁共振(NMR),從而控制單個原子核的磁性。核磁共振是確定分子結構的重要工具,而Lutz和Yang的研究成就在於首次使用掃描穿隧顯微鏡(STM)實現核磁共振。STM是IBM獲得諾貝爾獎的一項發明,可用於個別觀察和移動原子。

Lutz在接受《EE Times》電話採訪時解釋:「我們正展開奈米技術的基礎研究,期望克服個別原子級的極限。由於使用了掃描穿隧顯微鏡技術,使我們第一次可以在看到原子並為其重新定位的環境中實現這一目標。」

STM技術讓研究人員打造從原子開始的結構,並為其進行測試,使其得以瞭解採用自旋共振技術未來可以或想要打造什麼。

20181120_IBM_NT01P2 掃描穿隧顯微鏡(STM)技術(來源:IBM)

STM還可以對每個原子進行成像和定位,以研究NMR如何改變並回應當地環境。透過掃描STM金屬針穿過表面的超尖端,STM可以感知單個原子的形狀,並將原子拉進或攜入所需的排列中。

「我們正在探索當一次探測一個原子時會發生什麼,同時也觀察其磁性。」Lutz說:「我們首先學到感知核的磁狀態,接著是如何加以控制。」

在此過程中必須進行兩個步驟。他說:「首先我們需要對準原子核的磁方向,而不僅僅是指向隨機的方向。」研究人員透過施加從銳利金屬針尖發出的無線電波,從而操控原子核的磁性。接著,將無線電波精確地調諧至原子核的固有頻率。Lutz說:「此時,我們就可以透過針尖的電流接取至原子核。」

20181120_IBM_NT01P1 單個銅原子核磁性的概念圖。圓錐體代表銅原子的磁北極(左)和電子(右)之不同方向。核子和電子能以磁性連接(紅色彈簧部份)。STM尖端的電流(如右圖所示)控制原子的磁性

研究人員首先著眼於鐵和鈦原子中的核磁性,然後再著手研究銅。銅由於導電性佳,目前已經廣泛應用在生活各方面了。然而,它的磁性並未被完全瞭解。Lutz說,雖然我們從來沒看過1美分硬幣與磁鐵相吸,但當單個銅原子周圍未被其他銅原子包圍時,銅的磁性就會變得十分明顯。「現在我們已經開始研究銅了,因為銅在核與其外部電子之間有很強的互動作用。」

Lutz說這種原子核有四種不同的量子態。研究人員目前正在探索其與量子運算相同的成份。然而,他們正以比量子運算所需更短的同調時間存取環境。正確地說,對於可能賦予記憶體的意義是,諸如磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)等磁性記憶體大約需要十萬個原子才能儲存1位元的資料。「那就是磁定向可以產生1個1或0的雙態元件。我們並為其縮小了十萬倍,因而可以在未來盡可能地拓展目標。」

Lutz無法推測這一基礎研究何時可能實現商業應用,畢竟它目前還處於早期階段。他說:「我們接下來的步驟將是建立磁原子陣列。我們已經開始練習組裝原子了,這同時也是未來每一種新原子的新研究方向。」

20181120_IBM_NT01P3 IBM Research科學家Christopher Lutz和Kai Yang

編譯:Susan Hong

(參考原文:IBM Explores Copper Magnetism for Use in Memory,by Gary Hilson)