Возможно ли хранить информацию на магнитах размером в один атом?
Существует изречение, которое гласит, что объем данных всегда растет до тех пор, пока не заполнит все доступное пространство. Возможно, лет двадцать назад обычным явлением было сохранять на компьютере программные продукты, музыку в формате MP3, фильмы и другие файлы, которые могли накапливаться годами. В те времена, когда жесткие диски могли вместить несколько десятков гигабайт памяти, они почти неизбежно оказывались переполненными.
Теперь, когда появился быстрый широкополосный интернет и мы, даже не задумываясь, скачиваем 4,7-гигабайтный DVD, накапливание данных идет еще быстрее. Согласно оценкам, общий объем данных, хранящихся на компьютерах во всем мире, вырастет с 4,4 триллионов гигабайт в 2013 году до 44 триллионов в 2020 году. Это означает, что в среднем мы генерируем примерно 15 миллионов гигабайт в день. Несмотря на то, что жесткие диски теперь измеряются в тысячах гигабайт, а не десятках, у нас по-прежнему сохраняется проблема хранения данных.
Многие исследования и разработки посвящены поиску новых способы хранения данных, которые позволили бы достичь большей плотности и благодаря этому сохранять большее количество информации с большей энергоэффективностью. Иногда это связано с обновлением привычных и давно известных методов. Так, недавно компания IBM объявила о появлении новой технологии. Их магнитная лента способна хранить 25 гигабайт информации на каждом квадратном дюйме (около 6,5 квадратных сантиметров) – это новый мировой рекорд для технологии, которой уже шестьдесят лет. Хотя нынешние твердотельные жесткие диски обладают более высокой плотностью, около 200 гигабайт на квадратный дюйм, магнитные ленты все еще часто используются для резервного копирования данных.
Однако, современные исследования в области хранения данных имеют дело уже с отдельными атомами и молекулами, что объективно является последним пределом технологической миниатюризации.
Одноатомные и одномолекулярные магниты не нуждаются в связи с соседними, чтобы сохранять свою магнитную память. Дело в том, что здесь эффект памяти возникает из закономерностей квантовой механики. Поскольку атомы или молекулы гораздо меньше, чем используемые в настоящее время магнитные домены, и могут быть использованы по отдельности, а не в группах, их можно «упаковать» более плотно, что может привести к гигантскому скачку увеличения плотности данных.
Такая работа с атомами и молекулами уже не является научной фантастикой. Эффекты магнитной памяти в одномолекулярных магнитах были обнаружены впервые еще в 1993 году, а аналогичные эффекты для одноатомных магнитов были продемонстрированы в 2016-м.
Основная проблема, стоящая на пути выхода этих технологий из лаборатории в массовое производство, заключается в том, что они пока не работают при нормальной температуре окружающей среды. Как одиночные атомы, так и одномолекулярные магниты требуют охлаждения жидким гелием (до температуры — 269 °C), а это дорогостоящий и ограниченный ресурс. Тем не менее, недавно исследовательская группа в Школе химии при Университете Манчестера добилась магнитного гистерезиса, то есть возникновения эффекта магнитной памяти, в одномолекулярном магните при температуре – 213 °C, использовав новую молекулу, полученную на основе редкоземельных элементов, о чем сообщалось в их письме в журнал Nature. Таким образом, совершив скачок в 56 градусов, они оказались всего в 17 градусах от температуры жидкого азота.
Впрочем, имеются и другие проблемы. Чтобы на практике хранить отдельные биты данных, молекулы необходимо зафиксировать на поверхностях. Это было уже достигнуто с одномолекулярными магнитами в прошлом, но не для последнего поколения высокотемпературных магнитов. В то же время, на одиночных атомах, закрепленных на поверхности, этот эффект также уже был продемонстрирован.
Окончательное испытание – это демонстрация недеструктивного считывания информации с отдельных атомов и молекул. Эта цель была достигнута впервые в 2017 году группой исследователей из компании IBM, которая продемонстрировала самое миниатюрное магнитное устройство хранения данных, построенное на основе одноатомного магнита.
Однако, независимо от того, действительно ли одноатомные и одномолекулярные запоминающие устройства станут применяться на практике и получат широкое распространение, достижения фундаментальной науки в этом направлении нельзя не признать просто феноменальными. Методы синтетической химии, разработанные исследовательскими группами, работающими с одномолекулярными магнитами, позволяют уже сегодня создавать молекулы с индивидуальными магнитными свойствами, которые найдут применение в квантовых вычислениях и даже в магнитно-резонансной томографии.
12.09.2017 10:29
