稀土元素制成单原子硬盘，或将存储密度提高1000倍

五千家化工医药企业通过化学加网买产品招人才

来源|创新地标                         编辑|化学加

撰文|Elizabeth Gilbney          翻译|龚聪

把一块磁铁一分为二，它就变成了两块小磁铁。再分割一次，就成了4块。但当磁铁越来越小时，它们的磁场就没那么稳定了：磁极会来回翻转。现在，物理学家能够把单原子变成了稳定的磁子。

洛桑苏黎世联邦理工学院的物理学家Fabian Natterer和他的研究团队今年在《自然》上发表论文，表示用钬单原子磁子制作出原子硬盘。这个原子硬盘包含两个钬单原子磁子，只能存储2字节的数据。Natterer认为，这种硬盘规模扩大后能把硬盘的存储密度提高1000倍。

荷兰代尔夫特理工大学物理学家Sander Otte评论说：“这是一项了不起的成就，他们终于在单原子身上实现了磁场稳定性。”

来源：Pixabay

普通的数据硬盘包含很多磁化区域，每个磁化区域就像一小条磁棒，它们的磁场方向可以朝上也可以朝下。磁场方向代表1或0，也就是数据单元——比特。这些磁化区域越小，数据的存储密度也就越高。但是要确保磁化区域是稳定的，这样它们代表的1和0才不会发生错误的变化。

目前市面上的存储设备需要用一百万个原子来表示比特单元。但是，物理学家在实验室里已经把表示1比特数据所需的原子大大减少：从2012年Loth S. 等人使用12个原子到今天只需要一个原子。

Natterer和他的团队用的是稀土元素钬（Ho, 67号元素）。他们将钬原子放在氧化镁板上，置于低于5开尔文温度的环境下。

研究人员选择钬原子作为单原子存储材料的原因是，钬原子有很多未配对电子，这些未配对电子在低温下能产生很强的磁场。同时，由于这些电子分布在靠近原子中心的轨道上，受到外界环境的干扰很小。这些特点让钬原子能产生很强并且稳定的磁场。但正是因为这些电子位于内层，观察确定它们的磁场极性反而变得十分困难。直到现在，还有很多物理学家怀疑能否真正确定钬原子的磁场极性。

为了将数据写入一个钬原子上，研究人员需要找到一种方法控制并改变它的磁场极性。他们通过隧道显微镜的磁化尖端释放电流来控制钬原子的磁场极性。在测试过程中，钬原子磁子很稳定，能够在长达几个小时内保持自身磁场极性，并且研究人员从未观察到不受控制的磁极翻转。他们使用同一台隧道显微镜，通过施加不同的电流检测原子的磁性状态，从而读取存储的数据。

铁原子是钬原子的磁性状态传感器  来源：Nature

为了进一步验证磁化尖端能准确地读出字节数据，研究团队与IMB的研究人员合作开发了第二种间接读取原子磁性状态的方法。他们在两个钬原子旁边镶嵌了一个铁原子，利用铁原子和钬原子的电子自旋共振（electron spin resonance, ESR），将铁原子的电学性质与两字节钬原子系统关联起来，把铁原子当做钬原子的磁性状态传感器。通过测量铁原子的电学性质，即可得到钬原子的磁性状态。研究团队发现，这种间接方法可以同时读取多个字节的磁性状态，因此实用性更强。并且，相对于使用隧道显微镜的方法，后者显然对钬原子系统的破坏小很多。 

原子和空格组成的字节 来源：TU Delft

用单原子作为磁性字节将极大地增加数据存储的密度，Natterer和他的同事正努力尝试制作更长的单原子磁子序列。就目前来说，单原子两字节存储离实际应用还很远。此外，另一种单原子存储技术，用原子的位置变化存储信息，而不是磁性状态，已经实现了1千比特（8192比特）的可读写存储空间。  

然而，单原子磁性存储系统的优点在于它能够兼容自旋电子器件，Otte说。这项利用原子磁性状态的新技术不仅可以用来存储数据，还可以代替电流在计算机中传递信息，同时这样的系统会更加节能。

从目前来看，物理学家对研究单原子磁子还是劲头十足的。Natter现在计划观察一个三原子迷你磁子系统，其中它们的磁场是竞争关系，因此它们的磁极会持续翻转。“你可以把这些单原子磁子看做乐高积木，把它们放在一起就能形成磁性结构。”Natterer说。

延伸阅读，直接点中标题可查看：

---

---

更多精彩阅读，点标题下方化学加关注后，点底部“进入公众号”，用手机左下角小键盘输入：

---

回复d20，查看《理工科人必看！如果墨子生在当代，他的理科毕业论文会这么写！》

回复c18，查看《论斗图，你们是斗不过我们化学党的！》

回复ai163，查看《他是钱学森、邓稼先、杨振宁、华罗庚等学术大家的恩师，他为新中国培养了79名院士，最终却成了“国家罪人”》

回复ai164，查看《锂电池之父，杨振宁在芝加哥大学的同学，二战老兵该得诺贝尔奖了！》

回复c15，查看《【还珠化学实验室】我的表情包居然跑去学化学了》

回复j50，查看《化学居然不是秃顶率最高的专业？那么问题来了，秃顶率最高的专业是什么？》

回复L98，查看《掉地上5秒内的食物，到底能不能吃？美国人做了2560次测试》

回复ai11，查看《17岁他说要把海洋清洗干净：没人相信：21岁他做到了！》

---

声明：尊重原创、保护原创是化学加始终坚持的原则；化学加的分享转载，都已经获得对方的授权，并且会在开头位置清楚注明出处；欢迎其它媒体、公号与化学加合作，请勿擅自转载或二次转载。

---

点左下角阅读原文进入化学加网

化学加主编微信号：huaxuejiawang

---