物理学者は、1つの原子に2ビットを書き込む方法を発見しました

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物理学者は、1つの原子に2ビットを書き込む方法を発見しました
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Anonim
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基板上の鉄原子。軌道状態とスピン状態を互いに独立して変化させることができました。

科学者たちは、基板上に1つの鉄原子のシステムを作成することに成功しました。このシステムでは、原子の軌道角運動量とそのスピン状態の励起を互いに独立して制御できます。システムを制御するために、研究者たちは走査型トンネル顕微鏡の針を使用しました。これは原子と相互作用して、スピン状態を励起することなく軌道運動量を反転させます。このような条件下では、原子は磁場に関連する2つの自由度を持ち、将来的には、原子あたり2ビットの記録密度を持つ大容量の情報ストレージシステムを作成するために使用できます。この記事はジャーナルnpjQuantumMaterialsに掲載されました。

1ビットのサイズを原子のスケールに縮小すると、非常に小さなメディアに大量のデータが収まります。潜在的に、そのようなシステムは、磁場によって制御される個々の原子Sのスピン(それらの組成に含まれる素粒子の運動量の固有モーメントのベクトル和)を使用して作成できます。スピン軌道相互作用と結晶の組み合わせにより、実際のサンプルの各原子Lの軌道角運動量(全体としての角運動量)が抑制されるため、このようなシステムでビットとして選択されるのはスピン状態です。分野。

しかし、そのようなシステムの原子のLがゼロに等しくない場合でも、スピン軌道相互作用はLとSの間の接続を重ね合わせに導き、L + Sの全角運動量のみが重なります。システムは保存され、LとSの独立した励起は不可能です。原子の軌道状態で情報を保存するには、Lを保存し、スピン状態に影響を与えることなく制御できる必要があります。次に、スピンと軌道の状態が0と1の役割を果たすことができ、原子自体が2ビットの情報のキャリアとして機能することができます。各ビットはシステムの1つの自由度(スピンごとに1ビット)に対応します。および軌道角運動量)。

デルフト工科大学のRasaRejaliが作成できたのは、スピン状態と軌道状態を独立して励起できる1つの原子のシステムです。これを行うために、物理学者と彼の同僚は、Cu2N基板の組成の磁気的に中性の窒素原子の上に単一の鉄原子を配置し、それによって実質的に自由な軌道角運動量とスピンを持つシステムを得ました。走査型電子顕微鏡の先端により、物理学者は原子を研究および操作することができました。

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基板上の鉄原子のトモグラフィー。低いピークは銅原子の上にある鉄に対応し、高いピークは窒素原子の上にあります。

単一の鉄原子の軌道状態も、Einstein-de Haas効果と同様のプロセスで走査型トンネル顕微鏡を使用して変更されました。軌道運動量は、原子とデバイスの先端の間の非弾性電子トンネルによって逆転されました。科学者たちは、機能密度の理論を使用して、効果を観察するために必要な空間内の原子の位置を計算しました。外部磁場におけるシステムの微分伝導率のスペクトルを分析すると、物理学者は、原子内で、原子の軌道角運動量ΔLz= 4とΔSz= 1が互いに独立して変化することを示しました。

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(a)は、磁場中の原子のエネルギー準位のシミュレートされた分割です。(b)は、システムの微分伝導率の観測されたスペクトルと、スピンおよび軌道角運動量の対応する遷移です。(c、d)観測された遷移の概略図です。

著者らは、単一原子の軌道状態とスピン状態を独立して変更するために提案された方法は、まだ実際の実装にはほど遠いことに注意しています。それにもかかわらず、スピンと軌道状態の性質の類似性は、将来、原子の軌道角運動量を現在と同じくらい簡単に制御できるという希望を与えます-スピン。この場合、情報キャリアは非常に現実的になる可能性があり、各原子は1ビットではなく2ビットとして機能し、潜在的に最大のデータ記録密度をさらに高めます。

以前、物理学者がいくつかの塩素原子に対して1ビットの密度で情報を書くことをどのように学んだかについて話しました。その後、研究者たちはこの数値を原子あたり1ビットの最大値(当時のように)に改善しました。

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