Ранее я рассматривал в этом блоге возможные варианты завершения или продолжения закона Мура. Эта тема активно обсуждается на Хабре и за его пределами. В частности, уважаемый Юрий Парфёнов @YuriParfenov опубликовал статью о законе Хуанга, который точнее, чем закон Мура, описывает развитие аппаратного обеспечения. Уважаемый Валерий Истишев @istishev в одной из статей 2021 года подробно описал, с какими нюансами закон Мура продолжает работать сегодня. Наиболее очевидный способ компенсировать замедление закона Мура – распараллелить вычисления, о чём, в частности, рассказывает уважаемый Александр Якубович @ragequit в этой статье. Но вместе с потребностью в увеличении вычислительных мощностей растёт и потребность в компактных хранилищах данных, обладающих высокой доступностью. Ниже мы рассмотрим, как в таком качестве могут помочь одноатомные магниты, и как сравнительно недавно научились их создавать.
По объективным причинам, описанным, в частности, в книге «Информация» Джеймса Глика, архитектура компьютера получилась фундаментально двоичной. Единица информации – это бит, который можно представить в виде переключателя, а переключатель всегда находится в одном из двух состояний – «вкл.» или «выкл.», «1» или «0». При этом, именно двоичная архитектура хорошо согласуется с элементарными состояниями атомов или магнитов. В атомах металлов – десятки электронов, а у каждого электрона есть свойство, называемое «спин». Спин электрона может быть только верхним или нижним, поэтому, если научиться его переключать, электрон превращается в мельчайшую вычислительную единицу, а атом – в хранилище таких единиц. Именно эта базовая идея легла в основу спинтроники (спиновой электроники); по-видимому, этот термин был впервые употреблён в 1998 году в знаменитой лаборатории «Bell Labs». В настоящее время спинтроника постепенно превращается из фундаментальной науки в прикладную, занятую, в частности, разработкой жёстких дисков. Важнейшее направление спинтроники – получение тончайших магнитных плёнок, так как каждый атом в такой плёнке потенциально может служить запоминающим или вычислительным устройством. Любой магнит также двоичен на фундаментальном уровне, поскольку имеет ровно два полюса; меняя поляризацию магнита, его можно переключать из «0» в «1» и наоборот. Следовательно, одноатомные магниты и решётки таких магнитов потенциально могли бы преобразить информатику и хранение данных.
О миниатюризации накопителей
Магнитные диски и ленты в принципе стали использоваться для хранения информации, как как магнит обладает одновременно силой и памятью. Наиболее распространённые магнитные материалы – это ферромагнетики, но в конце XX века стало известно, что многие лантаноиды, в частности, неодим и сравнительно дешёвый гольмий, также хорошо подходят для создания постоянных магнитов.
Все современные магнитные носители данных, в частности, изображённый здесь винтажный IDE-диск, конструируются по «нисходящему» принципу. При изготовлении блинов диска слой за слоем накладывается ферромагнитный материал, и в каждом слое имеются магнитные домены, в которых и содержатся данные. Такой домен представляет собой совокупность намагниченных атомов, полярность которых задаёт считывающая (записывающая) головка жёсткого диска. Соответственно, от полярности домена в момент прохода головки зависит двоичное представление данных (0 или 1). Такая магнитная память на уровне доменов сохраняется благодаря взаимодействию доменов с соседними атомами.
Альтернативный «восходящий» принцип предполагает сборку накопителей с нуля: отдельные атомы или молекулы укладываются друг за другом, и в каждой молекуле/каждом атоме можно хранить один бит информации. Одноатомные или одномолекулярные запоминающие единицы, в отличие от доменов, работают и без коммуникации с окружением, так как запоминание информации в них – это квантовомеханический эффект. Поскольку современные магнитные домены значительно крупнее отдельных атомов, переход к восходящему принципу позволяет очень сильно увеличить плотность данных и, соответственно, уменьшить накопители современной ёмкости до микроскопических размеров. Первые одномолекулярные магниты (SMM) были продемонстрированы в виде металл-ионных кластеров в 1993 году французскими и итальянскими специалистами из университетов Флоренции и Гренобля, после чего и начался поиск одноатомных магнитов. Как показано на следующей схеме, наряду с ферромагнетиками в настоящее время развиваются различные магнитные сплавы с участием лантаноидов (прежде всего, самария и неодима). В более совершенных носителях также используются гольмий и диспрозий, и в таких сплавах акцент делается уже не магнитные свойства как таковые, а на запись и хранение информации.
Сегодня одним из наиболее известных редкоземельных постоянных магнитов является неодимовый магнит. Подробная статья об открытии неодимовых магнитов и вариантах их применения есть на Хабре, и рассказывает она, в том числе, о создании компактных жёстких дисков на основе сплава Nd2Fe17B, указанного в таблице выше. Некоторые лантаноиды, в частности, неодим и самарий, в десять и более раз превосходят ферромагнетики по энергетическому произведению; именно поэтому распространение неодимовых магнитов привело к миниатюризации электромоторов и исполнительных механизмов для всё более мелких промышленных и бытовых роботов. Аналогичным образом удаётся уменьшать элементы питания для электромобилей и детали магнитно-резонансных томографов. Поэтому, если бы удалось добиться устойчивого хранения информации в одноатомных лантаноидных плёнках, а также точного считывания и неразрушающей записи, то они могли бы работать по тому же принципу, что и жёсткие диски. Но на носителе размером с монету теоретически можно было бы хранить сотни гигабайт данных.
Как показано на вышеприведённой блок-схеме, лантаноид (в данном случае – неодим) используется не сам по себе, а в составе сплава. Лантаноид, используемый в качестве носителя информации, должен вкрапляться в подложку из более лёгкого металла, в данном случае – железа. Тем не менее, атомы неодима пусть и проявляют магнитные свойства, но плохо подходят для индивидуальной адресации. В вышеупомянутом опыте, проделанном исследователями из IBM, атомы гольмия в окружении атомов железа располагаются на подложке из оксида магния (MgO), под которым, в свою очередь, находится слой серебра. Атомы железа в данной конфигурации выступают в качестве сенсоров и улавливают изменение магнитного момента у гольмия.
Соответственно, наиболее плотный носитель данных представляет собой атомную решётку, каждый атом в котором является адресуемой «ячейкой памяти». Такие носители пока не получены, но уже известны индивидуально адресуемые магнитные биты, каждый из которых занимает 5-12 атомов. В центре такого ансамбля находится атом гольмия, окружённый атомами железа.
Теоретическая работа, ставшая основой для создания таких одноатомных накопителей, была закончена в 2016 году под руководством Пьетро Гамбарделлы из Высшей технической школы Цюриха и Харальда Брюна из Политехнической школы Лозанны. Именно они показали, что всего один атом гольмия на подложке из оксида магния (оксид магния не обладает магнитными свойствами) при температуре около -240 ℃ демонстрирует высокую коэрцитивность и сохраняет остаточную намагниченность примерно в течение часа. Попытки намагничивать отдельные атомы предпринимались и ранее, но в других веществах при той же температуре атом сохранял такие свойства примерно в течение 1 мс. Однако в случае с гольмием вполне реально управлять спинами отдельных атомов при помощи микроволновых полей и даже переменного электрического тока. Так открывается путь к созданию не только миниатюрных классических, но и первых квантовых запоминающих устройств.
Более детальные эксперименты проводились на синхротроне Swiss Light Source и в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF) в Гренобле под руководством Себастьяна Степанова из Высшей технической школы Цюриха и Желько Шливанчанина из Института ядерных наук «Винча» в Белграде. Воздействуя на гольмиевый магнит рентгеновскими лучами, они пытались возбуждать электроны в атоме гольмия и считывать информацию, которая уже заключена в этом атоме, в частности, узнавать его электронную конфигурацию, магнитный спин и орбитальные моменты. Тогда было доказано, что для сохранения магнитной стабильности гольмиевого атома необходимо правильно подбирать для него окружение. В основном электронном состоянии гольмий обладает устойчивым магнитным моментом и чёткой магнитной осью, и в этом состоянии его необходимо защитить от спонтанного изменения спина, а также сделать заметным. Подложка из оксида магния предохраняет гольмий от перепадов температуры и случайных вибраций (что позволяет дольше сохранять у гольмия остаточную намагниченность), а атомы железа усиливают сигнал гольмия, повышая его заметность и упрощая считывание и запись данных на такой носитель. В качестве считывающей головки в данном случае удобно использовать сканирующий туннельный микроскоп.
Сканирующий туннельный микроскоп как инструмент чтения и записи
Состояния гольмия считываются путём измерения туннельного магнитосопротивления, а записывается информация при помощи импульсов туннельного сканирующего микроскопа. В рамках вышеупомянутого опыта IBM, который подробно описан здесь, долговременное сохранение информации в атомах гольмия обладает именно магнитную природу. Это подтверждается электронным парамагнитным резонансом (ЭПР) в соседствующих с гольмием атомах железа. Была собрана конфигурация из двух атомов гольмия, окружённых атомами железа, после чего в них была записана информация о четырёх возможных комбинациях их заряда. Затем эту информацию успешно считали при помощи туннельного микроскопа, измерив ЭПР атомов железа. Если удастся фиксировать таким образом любую информацию, то накопитель для хранения всех треков iTunes мог бы уместиться на поверхности не более банковской карты. Такая плотность информации в тысячи раз выше, чем на современных твердотельных накопителях.
В 2017 году конструкцию удалось усовершенствовать – при участии команды из IBM и специалистов из Политехнической школы Лозанны. Атомы железа для измерения магнитного момента гольмия встраиваются в саму считывающую головку туннельного микроскопа, а не расставляются вокруг гольмия. Такой метод, в отличие от первого, является неразрушающим, а также обеспечивает одновременное считывание и запись информации. Процесс наглядно показан в этом ролике:
Когда через кончик сканирующего туннельного микроскопа на атом гольмия подаётся электрический импульс, полярность атома меняется на противоположную, то есть, с 0 на 1 и наоборот. Этот процесс аналогичен записи на жёсткий диск.
Чтение информации, как было указано выше, производится при помощи атома (атомов) железа, фиксирующих, какова именно полярность конкретного атома гольмия. При этом очень кстати оказывается явление, именуемое «прецессией электронов». Когда атомы с неспаренными спинами электронов оказываются в магнитном поле, они начинают вращаться с определённой частотой. Частота зависит от силы поля и магнитного момента атома, то есть, от выраженности магнетизма у этого атома.
Магнитное поле воздействует на кончик микроскопа, и при этом в туннельный переход STM подаётся напряжение. Частота тока, генерирующего это напряжение, известна заранее, и когда она совпадает с частотой прецессии электронов, возникает область резонанса, в которой микроскоп и находит намагниченный атом.
С физической точки зрения процесс аналогичен магнитно-резонансной томографии, но фиксируется именно прецессия электронов (их спинов), а не прецессия атомных ядер. Точность процедуры также гораздо выше – туннельный микроскоп вычленяет не целые области, в которых могут находиться миллиарды атомов (как при МРТ), а отдельные атомы, после чего наводится на конкретный атом и переключает либо считывает его полярность.
Как известно, весь ряд лантаноидов характеризуется исключительно схожими физическими и химическими свойствами, поэтому для совершенствования гольмиевого носителя информации подыскивать альтернативный носитель логичнее всего именно среди лантаноидов (к лантаноидам относятся неодим, самарий и гольмий, на основе которых были созданы «информационные магниты», а по физико-химическим свойствам к этой группе также близки иттрий и скандий).
Поиски решения и альтернативные материалы
Итак, между 2016 и 2019 годами было продемонстрировано, что при помощи сканирующего туннельного микроскопа можно считывать, сохранять и записывать цифровые биты информации в отдельные атомы и вакансии на поверхности металла. Но коммерческое использование этой технологии пока затруднено по двум основным причинам: 1) низкая скорость чтения и записи и 2) крайне низкие температуры, необходимые для сохранения магнитного момента в металле. Даже при минимальном повышении температуры атомы начинают сливаться в нанокластеры, и записанная в них информация теряется. Скорость считывания информации ограничивается скоростью движения головки сканирующего микроскопа, увеличить скорость можно только за счёт снижения точности. Требуется подыскивать металлы или сплавы, которые ещё дольше сохраняли бы магнитную память при как можно более высоких температурах, а также подобрать как можно более тонкий и устойчивый изолятор в качестве подложки.
В рамках другого исследования, также проведённого в 2016 году, группе исследователей под руководством Харальда Брюна удалось собрать суперрешётку одноатомных диспрозиевых магнитов, где изолятором служила графеновая плёнка, а металлической основой – иридий. Потенциальная информационная плотность данных у этого образца составляет 115 терабит на квадратный дюйм. В примере с гольмием атомы лантаноида были окружены «частоколом» из атомов железа и поэтому не взаимодействовали друг с другом. Здесь же вся решётка состоит из атомов диспрозия, поэтому информационная плотность получается гораздо выше, но и случайное взаимодействие между атомами допустить проще. Тем не менее, правильный «муаровый» узор графеновой решётки позволяет расставить все атомы на расстоянии 2,5 нм друг от друга, что достаточно для предотвращения взаимодействий между ними. Кроме того, диспрозий сохраняет магнитные информационные свойства при значительно более высокой температуре, чем гольмий, до -213 ℃. Если попытаться встраивать диспрозиевую решётку в другую решётку, обладающую магнитными свойствами и одновременно разграничивающую атомы диспрозия, то вместо железа можно попробовать кобальт, который даёт более выраженный магнитный резонанс и более заметен для головки сканирующего микроскопа. Было бы интересно посмотреть, каким более тонким инструментом можно было бы заменить считывающую головку микроскопа, и возможно ли постепенно повысить рабочую температуру таких носителей, подобно тому, как удалось получить высокотемпературные сверхпроводники. Эти вопросы я выношу в комментарии.
