IBM придумала память нового типа с накопителем размером в один атом

Интеграция Техника
мобильная версия
, Текст: Дмитрий Степанов
Специалисты исследовательского подразделения IBM, занятые изучением медного магнетизма, совершили важное открытие, которое в перспективе позволит создавать микросхемы энергонезависимой памяти на порядки большей вместительности нежели существующие современные решения.

Ячейка размером в атом

Ученые из IBM придумали новый способ управления магнитными свойствами меди. В перспективе наработки в этой области могут оказаться полезными при создании микросхем энергонезависимой памяти, в которых ячейка памяти «умещается» в одном атоме металла и способна хранить в несколько раз большее количество информации по сравнению с существующими аналогами. Об этом говорится в работе, опубликованной исследователями из IBM, доктором Кристофером Луцем (Christopher Lutz) и доктором Каем Янгом (Kai Yang) в издании Nature Nanotechnology.

В своей статье ученые описали методику контроля магнитных свойств ядра одиночного атома меди при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – явления, технологии на основе которого широко используются химиками для изучения структуры вещества, а также в медицине – для проведения неинвазивного исследования внутренних органов пациентов (ЯМР-спектроскопия, МРТ – Магнитно-резонансная томография).

Добиться ЯМР в меди исследователям удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа, зонд которого, представляющий из себя металлическую иглу толщиной в десятые доли нанометра, позволил перемещать, изолировать одиночные атомы образца и правильно располагать их ядра в пространстве. Изоляция элементарной частицы от «соседей», как выяснилось, – непременное условие возникновения у меди магнитных свойств.

Изучив, изолированный атом меди, ученые обнаружили, что магнитная ориентация ядра напрямую связана с магнитной ориентацией находящегося вне ядра электрона. Эта связь может позволить записывать и считывать информацию благодаря изменению ориентации магнитного поля ядра, которую обеспечивает туннельный ток микроскопа. Свое внимание исследователи обратили на медь как раз из-за наличия сильной связи между ядром и внешними электронами.

Ядерный магнетизм в атоме меди в представлении художника. Конусы изображают различную ориентацию магнитного поля ядра (слева) и электрона (справа). Магнитная связь между ядром и электроном обозначена красной пружиной. Зонд микроскопа (сверху над электроном) управляет магнитными свойствами атома.

Кристофер Луц отметил, что ядро атома меди имеет четыре квантовых состояния. Потенциально это позволяет одноатомной медной ячейке памяти хранить четыре бита информации одновременно. Для сравнения: современные образцы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) хранят лишь один бит данных в ячейке, при этом она содержит сотни тысяч атомов ферромагнетика.

Специалисты отказались высказывать предположения о возможных сроках начала коммерческого применения результатов их исследования, поскольку проект в настоящее время находится на очень ранней стадии.

На следующем этапе своих исследований Луц и Янг планируют приступить к созданию целых массивов из «намагниченных» медных атомов.

Квантовая электроника

Другим перспективным направлением в области вычислительной техники являются квантовые технологии. Преимущества квантовых компьютеров основаны на том, что в них для представления данных используются не классические двоичные ячейки памяти, содержащие один бит информации (единицу или ноль), а так называемые кубиты (qubit, quantum bit, «квантовые биты»), представляющие собой квантовые объекты, которые могут принимать множество различных состояний благодаря принципу квантовой суперпозиции.

Считается, что квантовый компьютер с регистром из 50 полносвязных кубитов сможет продемонстрировать превосходство над классическими вычислительными системами. Решение практически значимых задач требует реализации регистра из 0,5–2 тыс. полносвязных кубитов, при этом точность операций с кубитами должна превосходить 99,999%. Наибольшие трудности у разработчиков квантовых вычислительных систем на сегодняшний день вызывает реализация процесса корректировки возникающих ошибок.

Работой над созданием квантовых компьютеров занимаются крупнейшие технологические компании мира, такие как Google, Microsoft, Intel, а также некоммерческие научно-исследовательские организации. Так, группе ученых Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) удалось создать квантовый «процессор» на базе атома фосфора.

В России впервые создать кубит смогли ученые Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Института физики твердого тела Российской академии наук в 2015 г.

В июне 2018 г. научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект «Оптические системы квантовых вычислений», в рамках которого до 2021 г. запланирована разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.

Микросхемы из металлов с оптическими свойствами

В октябре 2018 г. специалисты Университета Джорджии в США предложили способ, позволяющий на порядки увеличить производительность вычислительной техники. Выигрыш в скорости работы микросхем достигается за счет применения сверхтонких полупроводников, которые изготавливаются из так называемых дихалькогенидов (особых бинарных химсоединений) переходных металлов (TMDC) и обладают оптическими свойствами.

Для внедрения этой технологии понадобится кардинальная переработка вычислительных систем во множестве аспектов, а это, в свою очередь, значит, что переход на TDMC наверняка не состоится в ближайшем будущем, а может и не состояться вовсе.