Физики нашли способ записать два бита в одном атоме
---
Атом железа на подложке, в котором удалось изменить орбитальное и спиновое состояния независимо друг от друга
Rasa Rejali et al. / npj Quantum Materials, 2020
Ученым удалось создать систему из одного атома железа на подложке,
в которой можно управлять орбитальным моментом атома и возбуждением его спиновых
состояний независимо друг от друга. Для управления
системой исследователи использовали иголку сканирующего туннельного микроскопа,
при взаимодействии которой с атомом происходил переворот его орбитального
момента без возбуждения спиновых состояний. В таких условиях у атома оказалось две степени свободы, связанных с магнитным полем, что в будущем
может быть использовано для создания особо емких систем хранения информации с
плотностью записи два бита на один атом. Статья опубликована в
журнале npj Quantum Materials.
Уменьшение размера одного бита до
масштабов атома позволило бы умещать огромные массивы данных в крайне небольших
носителя. Потенциально такие системы можно создать с использованием управляемых магнитным полем спинов отдельных атомов S — векторных сумм собственных моментов
импульса элементарных частиц, входящих в их состав. В качестве бита в таких
системах выбирают именно спиновые состояния, потому что орбитальный момент каждого атома L (его момент импульса как
целого) в реальных образцах подавляется из-за совокупности спин-орбитального
взаимодействия и кристаллического
поля.
Но даже в случае, когда L атома в
такой системе не равен нулю, спин-орбитальное взаимодействие приводит к связи L и S в суперпозицию,
в которой сохраняется лишь полный момент импульса системы L + S, а независимые возбуждения L и
S невозможны. Для хранения информации в орбитальном состоянии атома, в свою очередь, нужно
уметь сохранять L и иметь возможность управлять им, не влияя на спиновые
состояния. Тогда спиновое и орбитальное состояния могут играть роль нулей
и единиц, а сам атом мог бы выступать в качестве носителя информации в размере двух
бит, каждый из которых соответствует одной степени свободы системы (по одному
биту на спин и орбитальный момент).
Именно такую систему из одного атома, в котором можно
независимо друг от друга возбуждать спиновые и орбитальные состояния, удалось
создать Расу Реджали (Rasa Rejali) из Делфтского технического университета. Для
этого физик с коллегами поместили одиночный атом железа над магнитно-нейтральным
атомом азота в составе подложки из Cu2N, тем самым получив систему с
практически свободными орбитальным моментом и спином. Изучать атом и манипулировать им физикам позволяла игла сканирующего электронного микроскопа.
Томография атомов железа на подложке. Более низкие пики соответствуют железу, расположенному над атомами меди, более высокие — над атомами азота.
Rasa Rejali et al. / npj Quantum Materials, 2020
Орбитальное состояние одиночного атома железа также
изменялось с помощью сканирующего туннельного микроскопа в процессе, похожим на
эффект
Эйнштейна — де Хааза: орбитальный момент переворачивался при неупругом туннелировании
электрона между атомом и иглой устройства. Необходимое для наблюдения эффекта положение
атомов в пространстве ученые вычислили с помощью теории
функциональной плотности. Анализируя спектр дифференциальной проводимости
системы во внешнем магнитном поле, физики показали, что в атоме независимо друг
от друга происходили изменение орбитального момента атома ΔLz = 4 и ΔSz
= 1.
(a) – cмоделированное расщепление энергетических уровней атома в магнитном поле, (b) – наблюдаемый спектр дифференциальной проводимости системы и соответствующие переходы спина и орбитального момента, (c, d) – схематичное изображение наблюдаемых переходов.
Rasa Rejali et al. / npj Quantum Materials, 2020
Авторы отмечают, что предложенный ими способ независимого изменения
орбитальных и спиновых состояний одиночного атома еще далек от практической
реализации. Тем не менее схожесть природы спиновых и орбитальных состояний
дает надежду на то, что в будущем орбитальным моментом атомов можно будет
управлять так же просто, как сейчас — спинами. В этом случае вполне реальными
могут стать носители информации, в которых каждый атом будет выступать в роли не
одного, а двух битов, что еще сильнее увеличит потенциально максимальную
плотность записи данных.
Ранее мы уже рассказывали о том, как физики научились
записывать информацию с плотностью в один бит на несколько атомов хлора. Позже исследователи
улучшили
этот показатель до максимального (как тогда казалось) значения в один бит на
один атом.
Никита Козырев
Источник: labuda.blog
Комментарии (0)
{related-news}
[/related-news]