把一塊磁鐵一分為二，用單原造硬盤它就變成了兩塊小磁鐵。存儲再分割一次，密度就成了4塊。翻倍但當磁鐵越來越小時，用單原造硬盤它們的存儲磁場就沒那么穩定了：磁極會來回翻轉。現在，密度物理學家能夠把單原子變成了穩定的翻倍磁子。

Natterer和他的用單原造硬盤研究團隊于3月8號在《自然》上發表論文，表示用鈥單原子磁子制作出原子硬盤。存儲這個原子硬盤包含兩個鈥單原子磁子，密度只能存儲2字節的翻倍數據。洛桑蘇黎世聯邦理工學院的用單原造硬盤物理學家Fabian Natterer是論文作者，他認為這種硬盤規模擴大后能把硬盤的存儲存儲密度提高1000倍。

荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Sander Otte評論：“這是密度一項了不起的成就，（他們）終于在單原子身上實現了磁場穩定性。”

普通的數據硬盤包含很多磁化區域，每個磁化區域就像一小條磁棒，它們的磁場方向可以朝上也可以朝下。磁場方向代表1或0，也就是數據單元——比特。這些磁化區域越小，數據的存儲密度也就越高。但是要確保磁化區域是穩定的，這樣它們代表的1和0才不會發生錯誤的變化。

目前市面上的存儲設備需要用一百萬個原子來表示比特單元。但是，物理學家在實驗室里已經把表示1比特數據所需的原子大大減少：從2012年Loth S. 等人使用12個原子到今天只需要一個原子。Natterer和他的團隊用的是稀土元素鈥（Ho, 67號元素）。他們將鈥原子放在氧化鎂板上，置于低于5開爾文溫度的環境下。

研究人員選擇鈥原子作為單原子存儲材料的原因是，鈥原子有很多未配對電子，這些未配對電子在低溫下能產生很強的磁場。同時，由于這些電子分布在靠近原子中心的軌道上，受到外界環境的干擾很小。這些特點讓鈥原子能產生很強并且穩定的磁場。但正是因為這些電子位于內層，觀察確定它們的磁場極性反而變得十分困難。直到現在，還有很多物理學家懷疑能否真正確定鈥原子的磁場極性。

數據字節

為了將數據寫入一個鈥原子上，研究人員需要找到一種方法控制并改變它的磁場極性。他們通過隧道顯微鏡的磁化尖端釋放電流來控制鈥原子的磁場極性。在測試過程中，鈥原子磁子很穩定，能夠在長達幾個小時內保持自身磁場極性，并且研究人員從未觀察到不受控制的磁極翻轉。他們使用同一臺隧道顯微鏡，通過施加不同的電流檢測原子的磁性狀態，從而讀取存儲的數據。

為了進一步驗證磁化尖端能準確地讀出字節數據，研究團隊與IMB的研究人員合作開發了第二種間接讀取原子磁性狀態的方法。他們在兩個鈥原子旁邊鑲嵌了一個鐵原子，利用鐵原子和鈥原子的電子自旋共振（electron spin resonance, ESR），將鐵原子的電學性質與兩字節鈥原子系統關聯起來，把鐵原子當做鈥原子的磁性狀態傳感器。通過測量鐵原子的電學性質，即可得到鈥原子的磁性狀態。研究團隊發現，這種間接方法可以同時讀取多個字節的磁性狀態，因此實用性更強。并且，相對于使用隧道顯微鏡的方法，后者顯然對鈥原子系統的破壞小很多。 

用單原子作為磁性字節將極大地增加數據存儲的密度，Natterer和他的同事正努力嘗試制作更長的單原子磁子序列。就目前來說，單原子兩字節存儲離實際應用還很遠。此外，另一種單原子存儲技術，用原子的位置變化存儲信息，而不是磁性狀態，已經實現了1千比特（8192比特）的可讀寫存儲空間。

然而，單原子磁性存儲系統的優點在于它能夠兼容自旋電子器件，Otte說。這項利用原子磁性狀態的新技術不僅可以用來存儲數據，還可以代替電流在計算機中傳遞信息，同時這樣的系統會更加節能。

從目前來看，物理學家對研究單原子磁子還是盡頭十足的。Natter現在計劃觀察一個三原子迷你磁子系統，其中它們的磁場是競爭關系，因此它們的磁極會持續翻轉。“你可以把這些單原子磁子看做樂高積木，把它們放在一起就能形成磁性結構，”Natterer說。

撰文 Elizabeth Gilbney

翻譯 龔聰

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