Міжнародна група фізиків домоглася граничної щільності запису інформації в магнітному стані речовини - один біт в одному атомі. Це відповідає збільшенню ємності жорстких дисків у тисячі разів. Для двобітового пристрою вчені розробили процедури запису та читання інформації за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. Технологія ще далека від реальних застосувань, однак вона показує, що досягнення межі щільності запису інформації можливе. Дослідження опубліковано в, коротко про нього повідомляє редакційна замітка журналу.
Магнітний запис інформації заснований на тому, що багато матеріалів в магнітному полі намагаються вздовж його ліній і зберігають цю старанність навіть після відключення поля. У магнітних носіях, таких як дискети та HDD, роль бітів виконує спробу невеликих ділянок диска. Зі зменшенням розмірів цих ділянок значно зростає обсяг інформації, яку можна записати на пристрої того ж розміру. Зараз один домен комерційно доступних жорстких дисків налічує в собі близько мільйона атомів (кілька нанометрів в діаметрі). Експерименти показують, що розмір пам'ятної комірки можна зменшити до 3-12 атомів.
Автори нової роботи домоглися стабільного запису і зберігання інформації протягом декількох годин в одиночних атомах гольмію. Вибір металу вчені пояснюють наступним чином. Будь-яка орбіталь атома може нести на собі жодного, один або два електрони. Магнітні властивості атомів визначаються в основному неспарованими електронами, які знаходяться на своїй орбіталі на самоті. Гольмій володіє великою кількістю неспарених електронів і, до того ж, є володарем найбільшого магнітного моменту серед елементів періодичної таблиці. Крім того, неспарені електрони атома знаходяться близько до ядра, що забезпечує їх деяку ізольованість від зовнішнього середовища. Тому магнітний стан гольмію може зберігатися досить довгий час.
На поверхні оксиду магнію гольмій зазнає магнітної анізотропії - вона призводить до того, що у атома є два стійких магнітних стани, що визначаються орієнтацією його сумарного спину. Щоб перейти з одного стану в інший атом повинен подолати енергетичний бар'єр. Чим нижче температура середи, тим менш імовірний цей перехід. Відповідно цим двом стійким станам і приписуються значення «нуля» і «одиниці».
В експерименті вчені створили осередок пам'яті, що складався з двох атомів гольмію, що знаходяться на поверхні оксиду магнію, який був охолоджений до 1,2 кельвіна. Для запису і читання вчені використовували скануючий тунельний мікроскоп, який досліджує поверхні за допомогою надзвичайно гострої голки. Операція запису полягала в додатку до атома певної електричної напруги. Для читання автори використовували ефект тунельного магнетосопротивлення - електричний опір між поверхнею і голкою залежить від напрямків намагніченості кінчика голки і атома гольмію.
Щоб перевірити, чи не вносить сама голка перешкод у роботу пристрою, і оцінити час життя записаної інформації, фізики використовували недавно розроблений ними метод моніторингу магнітних полів. Для цього поруч з атомами гольмію вчені помістили атом заліза, який служив детектором. Магнітне поле атома гольмію викликало невеликі зміни в електронній оболонці заліза (відбувалося розщеплення рівнів), що автори фіксували за допомогою спектроскопічних технік. Виявилося, що інформація зберігалася без змін протягом більше п'яти годин. При підвищенні температури до 4,3 кельвіна спонтанна зміна стану відбулася через півтори години після запису.
Це не перший приклад пам'яті, яка використовує для запису поодинокі атоми. У 2016 році голландські фізики навчилися кодувати інформацію за допомогою положення одиночних атомів хлору на монокристалі міді. Автори продемонстрували елемент пам'яті об'ємом в один кілобіт і навіть записали в нього фрагменти тексту лекції Річарда Фейнмана «Там внизу багато місця» і «Походження видів» Чарльза Дарвіна.
Гранична щільність запису інформації дозволяє помістити по одному біту інформації в один атом, що знаходиться на поверхні носія. Якщо взяти, наприклад, поверхню монокристала заліза і записувати інформацію на ній, то в квадратному сантиметрі вміститься близько 10 петабайт даних.