不知道大家是否曾经幻想过这样的场景：有朝一日我们能够将 iTunes 曲库中的 3500 万首歌曲存储在一张只有信用卡大小的设备当中。尽管这样的理想很美好，然而目前的技术却尚无法实现。不过据雷锋网(公众号：雷锋网)了解，最近，IBM加利福利亚州圣荷西研究院的纳米科学家们在《自然》杂志上发表了最新研究成果，使得这个理想在将来成为了可能。在研究中，纳米科学家们证明了在单个原子上读取和写入1 bit数据的能力，而目前的硬盘驱动器为了存储这1 bit数据信息，则需要使用大概10万到100万个原子。
“充电”时刻
在计算机中数据存储的基本单位是比特（bit）。就像一盏灯存在被打开和被关闭两种状态，1 bit也仅有0或1两个取值并且在某一时刻只能取两个值中的一个。虽然比特的基本原理看似挺简单的，但是至少需要使用多少个原子才能构建一个稳定可靠的磁存储器位？这个问题在此前却一直是个未知数。
而在这次的发布的研究工作中，纳米科学家创造了世界上最小的磁体——一个原子。如同冰箱中的磁体一般，这个磁体也具有南北磁极，但是仅仅由钬（Ho）元素的单个原子组成。这个单一的钬原子被放置在精心挑选的氧化镁表面上，从而使得钬原子的南磁极和北磁极即使在受到附近其它磁体干扰的时候也依然能保持稳定，并且这两个稳定的磁极方向分别定义了位的1和0状态。
使用单一原子存储位数据的过程可以通过隧道扫描显微镜（Scanning Tunneling Microscope，由IBM发明并且获得了诺贝尔奖）上的尖锐金属针，引入能够翻转原子南磁极和北磁极的电流，从而使得原子能在状态1和0之间进行变换，而这一过程就好似机械硬盘中的写入操作。IBM的纳米科学家则可以测量通过原子的磁通电流，来判断该原子处于状态1或者0，而这就是读取位数据的过程。
走近科学家
据雷锋网了解，在本次研究工作中贡献最大的纳米科学家之一就是Christopher Lutz。他对于创新发明可以说早就习以为常，早在9岁的时候就曾向两位同是艺术家的父母宣称自己未来想要成一名物理学家。
不过有趣的是Chris却是以计算机科学家的身份开启了自己的学术生涯。1985年由于缺乏资金和精力，Chris选择从加州大学圣克鲁斯分校的博士课程中休假并进入IBM研究院Almaden实验室打起了暑假工，在这期间Chiris搭建了一台并行计算机来模拟原子物理学以满足童年的梦想。最终，Chris与著名的纳米科学家同时也是他在IBM的同事Don Eigler进行合作，在20世纪90年代发表了一系列与单原子运动有关的研究成果。此外Chris还帮助创造了世界上最小的电影——《A Boy and His Atom》，这是一个通过使用由单个原子组成的静态序列图像所制成的动画。
Chris对于纳米科学的热情来源于他对世界的独特见解。他说：“当我在观察这个世界的时候，我看到了一系列的运算。比如，一片叶子从树上掉落下来这个过程就涉及到很多的运算。在粗尺度上看，这片叶子的运动速度受到重力和空气阻力的共同影响，而从更加微观的角度来看，组成叶子的众多原子为了让叶子的运动符合宏观的物理规律，这些原子的运动将涉及更加错综复杂的运算。我在IBM的工作集中在寻找了解微观世界中原子运动模式的方法以及如何引导原子进行我们想要的计算。例如，我们通过使用精确的分子排列制造了世界上最小的互联逻辑门。而在最近的研究当中，单个原子则在执行运算中扮演了一个非常重要的角色——位数据存储。”
迄今为止，Chris已经发表了数十项与纳米科学研究有关的报告，其中几项更是已经被纳入了全球大学课程当中。而在本次单原子存储位数据的研究工作中另一位重要的成员则是来自于中国的 Kai Yang。 Kai Yang 现在是IBM博士后研究员并且跟随着Chris一起工作，而在此前 Kai Yang 曾在大学期间学习了 IBM 的纳米学研究。在 Kai Yang 读大学期间，IBM研究院纳米科学家团队曾到访过他所在的学校，而他也热情地担任起了校园导游，而这次经历也帮助 Kai Yang 进入了IBM研究院Almaden实验室。
据 Kai Yang 介绍，在他们之前，还没有人做过在单个原子上存储位数据这样的研究工作。最开始，他们团队花费了整整一个月的时间，测量钬原子具有两个稳定的磁性取向，但却以失败告终，然而预定的时间只有六周。所以为了赶在截止日前完成这项工作，大家开始不分昼夜地进行研究与实验。最终赶在截止日期之前，Kai Yang 与团队其他成员在实验室里成功证明了单一钬原子具有两个稳定的磁性取向。而这项研究的关键就是发现钬原子是如此的稳定，以至于它们需要利用脉冲电流才能使得钬原子状态发生变化。在这之后，该项研究工作的成果便被整理并发布于《自然》杂志上。
Kai Yang 在最近被聘请为IBM博士后研究员，并且因为这一具有里程碑意义的工作，他还被提名为MIT Tech Review's 35 Innovators之一。
据雷锋网了解，IBM纳米科学家们还在通过将原子准确地排列成某种自然条件下不会存在的结构，以继续探索单个原子的磁性，以及它们相互作用的方式。
via How They Did It: Meet the IBM Nanoscientists who Stored Data on a Single Atom
本文作者：隔壁王大喵
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