211service.com
Mätning av atomminne med nanoprecision
Händelserna som äger rum inuti atomer inträffar med hastigheter som normalt är alldeles för snabba för att fånga. Nu forskare vid IBM s Almadens forskningscenter har utvecklat en teknik som låter dem se denna atomära aktion med oöverträffad upplösning.
Minnesmaskin: IBM-forskaren Sebastian Loth använder det skanande tunnelmikroskop som hans team använde för att mäta hur länge en enskild atom kan lagra information.
Forskarna använde tekniken för att vända orienteringen av en atoms spinn, en grundläggande kvantegenskap, och sedan för att mäta hur länge atomen kom ihåg detta tillstånd innan han återvände till sitt naturliga spinntillstånd. Detta är ett första steg mot att utveckla ett slags datorminne som fungerar på atomär skala, och tekniken skulle också kunna användas av materialvetare för att utföra den grundläggande forskning som krävs för att göra mer effektiva organiska solmaterial.
Att påverka och mäta en atoms spinntillstånd är ett sätt att göra en kvantbit, eller qubit, som samtidigt kan fungera som både en 1 och en 0 i en kvantdator. Det är möjligt att göra en statisk mätning av en atoms spinn, men hittills har det inte varit möjligt att se en atoms spin förändras över tiden.
Forskare ledda av Don Eigler och Andreas Heinrich vid IBM:s labb i San Jose, Kalifornien, kunde se atomsnurr vända eller slappna av med tiden med hjälp av ett modifierat scanning tunnelmikroskop, eller STM – ett instrument som IBM-forskare uppfann 1981. De fångade bilder av atomens tillstånd var femte nanosekund – en miljon gånger snabbare än tidigare.
IBM-forskarna fann att en enda järnatom kan lagra magnetisk information i form av spinn i ungefär en nanosekund. Men när järnatomen är nära en kopparatom förlängs dess kvantminne, så att det tar cirka 200 nanosekunder för spinnet att slappna av. Resultaten publicerades förra veckan i tidskriften Vetenskap .
Informationen förfaller på 200 nanosekunder, men det är mycket tid, säger Sebastian Loth, medlem i forskargruppen. Nuvarande processorer gör flera hundra cykler av beräkningar under den tiden.
När spetsen på en STM förs mycket nära en yta, kan elektrisk ström flyta mellan atomerna på ytan och dess spets. Genom att röra sig över en yta kan mikroskopet skapa en bild av den. Och genom att analysera strömflödet är det möjligt att lära sig om atomens magnetiska tillstånd, inklusive dess spin.
För att förbättra tidsupplösningen för STM modifierade forskarna spetsen så att den inte bara mätte elektrisk ström utan också levererade den. De matade ström till en atom och mätte sedan dess tillstånd efter en bestämd tidsperiod. För varje sådan tidsperiod gjorde de 100 000 mätningar. De varierade tiden mellan pulser och mätningar och upprepade processen om och om igen. Bilderna från varje mätning kombinerades som ramar i en video. Genom att sätta ihop dessa ramar skapade forskarna en rörlig bild av atomens spintillstånd, med en bild tagen var femte nanosekund eller så.
Loth säger att IBM-forskarna hoppas kunna använda den snabba STM-tekniken för två grundläggande forskningsområden. Först kommer de att fortsätta använda det för att avgöra om olika kombinationer av atomer kan lagra kvantinformation längre. För det andra, genom att använda en ström av fotoner istället för en ström av elektroner som pulssignal, säger Loth, hoppas forskarna få en bättre förståelse för hur vissa organiska molekyler omvandlar ljus till elektrisk energi. Det kan leda till bättre solceller.
System som IBMs för att vända och mäta atomsnurr kan potentiellt vara en del av en framtida kvantdator, säger Alan Aspuru-Guzik , professor i kemi och kemisk biologi vid Harvard University. Att förändra och mäta atomernas spinn, och att kunna förutsäga hur atomer kommer att bete sig, är ett viktigt steg mot detta mål, säger han. De flesta enheter som har tillverkats hittills, säger han, är mer som kvantleksaker än datorer. Men fältet går stadigt framåt, säger han. Varje vecka visar någon att han manipulerar qubiten lite bättre.