記録設定ハードドライブは一度に1原子ずつ情報を書き込みます

チャールズダーウィンの「種の起源について」からの抜粋—原子ごと。(画像:Sander Otte et al。、2016 / Nature Nanoscience)

オランダで働いている研究者たちは、500テラビットを1平方インチに詰めることができる原子スケールの書き換え可能なデータストレージデバイスを開発しました。信じられないことに、それは人間が書いたすべての本を切手の大きさの表面に保存するのに十分です。神聖なたわごと

デルフト大学のSanderOtteと彼の同僚によって開発されたこのアトミックハードドライブは、最先端のハードディスクドライブの500倍のストレージ密度を備えています。1平方インチあたり500テラビットで、米国議会図書館の全内容を0.1mm幅の立方体に保存できる可能性があります。Nature Nanotechnologyの最新号に記載されている新しいシステムは、プライムタイムの準備が整うまでにかなりの作業が必要ですが、使用可能な原子スケールのデータストレージデバイスの開発の基礎を築く重要な原理実証です。

科学者が個々の原子を自由に配置したのはこれが初めてではありません。研究者は1990年代初頭から走査型トンネル顕微鏡を使用して原子を移動させてきましたが、現在の方法は退屈であり、非常に忍耐と粘り強さが必要です。新しいシステムは、まだ少し遅いですが、使いやすさが大幅に向上しています。

それを機能させるために、Otteとチームは銅の表面に塩素原子を配置し、完全な正方形のグリッドを作成しました。重要なのは、原子が欠落しているときはいつでも、このグリッドに穴が表示されることです。ご存知のとおり、このタイプのオン/オフタイプの構成は、デジタルデータストレージの基盤であるバイナリスイッチングに適しています。研究者たちは、走査型トンネル顕微鏡の鋭い針を使って、原子を1つずつ調べ、個々の原子を穴に向かって引きずることさえできました。

「現在私たちが見つけた塩素原子と支持銅結晶表面の組み合わせは、スライディングパズルのように「穴」を操作するという事実と相まって、はるかに信頼性が高く、再現性があり、スケーラブルな操作手法を実現します。自動化されました」とOtteはGizmodoに説明しました。「まるで原子スケールの印刷機を発明したかのようです。」

スライディングパズルとの比較は適切です。すべてのビットは、銅原子の表面上の2つの位置と、これら2つの位置の間で前後に調整できる1つの塩素原子で構成されています。塩素原子が一番上の位置にあり、その下に穴がある場合、それは1です。逆にすると、ビットは0になります。出来上がり、インスタントハードドライブ。

各塩素原子は他の塩素原子に囲まれているため、穴の近くを除いて、それらを所定の位置に保つのに役立ちます。この方法は、緩い原子を使用する方法よりもはるかに安定しています。この手法を使用して、研究者は8,000アトミックビットで構成される1キロバイトのデバイスで書き込み、読み取り、および再書き込み操作を実行することができました。これは、人間がこれまでに構築した中で群を抜いて最大の原子構造です。

画像:Sander Otte et al。、2016 / Nature Nanoscience

研究者たちは、メモリを8バイト(64ビット)のブロックに編成しました。これらの各ブロックには、塩素原子のラスターと同じタイプの「穴」から構築されたマーカーが割り当てられました。QRコードと同様に、これらのマーカーは、銅層上のブロックの正確な位置に関する情報を運ぶミニチュアバーコードのように機能します。これらのマーカーは、たとえば局所的な汚染物質や表面のエラーが原因で、ブロックが損傷したことを示すこともできます。これは、銅の表面に物理的な欠陥がある場合でも、メモリを簡単に大きなサイズにスケールアップできることを意味します。

リチャード・ファインマンの講演「底にはたくさんの部屋があります」からの抜粋。(画像:Sander Otte et al。、2016 / Nature Nanoscience)

実験中、研究者たちは8,000を超える塩素の「空孔」または欠落した原子の位置を77ケルビンで40時間以上保存しました(これについては少し後で詳しく説明します)。穴の位置に基づいてバイナリアルファベットを作成した後、研究者は、物理学者のリチャードファインマンの独創的な講義「底にたくさんの部屋があります」やチャールズダーウィンの「種の起源」など、さまざまなテキストを保存しました。このデータは、銅板の表​​面に原子ごとに少しずつ保存されていました。その後の書き込み/再書き込み速度は、数分単位で比較的低速でしたが、デモでは、アトミックスケールでデータを確実に書き込み、保存、および読み取ることが可能であることが示されました。

「メモリは容量の点で既存のメディアをはるかに上回っていますが、読み取り/書き込み速度の点では依然としてはるかに遅れています」とOtte氏はGizmodoに語りました。「しかし、これらのプロセスを現在[ハードディスクドライブ]で見られるのと同様の速度に高速化することを妨げる物理的な境界はないと思います。それは確かに技術的な挑戦になるでしょうが、物理学の観点からはうまくいくはずです。」

ただし、重要な注意点は、このシステムは日常の環境では機能できないということです。現在の形式では、アトミックハードドライブは、クリーンな真空条件と液体窒素温度(-346°F(-210°C))でのみ動作します。オッテが認めているように、「原子スケールでのデータの実際の保存はまだ少し遠い」が、「この成果を通じて、私たちは確かに大きな一歩を踏み出した」。

このシステムが液体窒素温度でのみ機能するという事実は、取引を妨げるように思えるかもしれませんが、オッテは同意しません。彼のチームは、塩素と銅のこの特定の組み合わせが安定性と操作性のバランスを提供することを発見したので、論理的な次のステップは、ヨウ素や臭素などの類似しているが異なる原子を探し、それが安定性を高め、それにより動作温度。

「しかし、それがうまくいかなくても、大規模なデータセンターに窒素温度でデータストレージソリューションを用意することは考えられないことではありません」とOtte氏は述べています。「病院の多くのMRIスキャナーは恒久的にヘリウム温度に保たれているので、その意味では最初に聞こえるほど極端ではありません。」

オッテはまた、これをナノテクノロジーの分野における一般的なブレークスルーと見なしており、これは実際には、可能な限り最小の長さのスケールで世界を設計する新しい能力のデモンストレーションにすぎないと述べています。「現時点では、これがどこにつながるかを予測することはできませんが、単なるデータストレージよりもはるかにエキサイティングなものになると確信しています」と彼は言いました。

[ネイチャーナノテクノロジー]

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