Adsorption et commutation de Co sur BP. une espèce Six Co sur BP telle que déposée à T < 5 K (Vs = −400 mV, Il = 20 pA, barre d'échelle = 1 nm). Les atomes encadrés montrent des espèces liées par le plan miroir le long de [010]. b Quatre atomes de a ont été basculés dans JH, faible (Vs = −400 mV, Il = 20 pA, barre d'échelle = 1 nm). c Deux atomes de b ont été transformés en JH, élevé (Vs = −400 mV, Il = 20 pA, barre d'échelle = 1 nm). d Caractéristiques de commutation de JH, faible à JH, haut avec Vs = 420 mV et e JH, élevé à JH, faible avec Vs = −680 mV. Des biais de seuil approximatifs pour la commutation (Vth) sont notés. Les cercles oranges indiquent la position de la pointe pendant la séquence de commutation. Les images en médaillon montrant les configurations avant et après ont une taille de 4 nm × 4 nm. f Représentation schématique des courbes d'énergie d'adsorption pour les espèces Co sur BP. Crédit: Communication Nature (2018). DOI :10.1038/s41467-018-06337-4
Des scientifiques de l'Université Radboud ont découvert un nouveau mécanisme de stockage magnétique d'informations dans la plus petite unité de matière :un seul atome. Alors que la preuve de principe a été démontrée à très basse température, ce mécanisme est prometteur pour un fonctionnement à température ambiante. De cette façon, il sera possible de stocker des milliers de fois plus d'informations que dans les disques durs actuels. Leurs conclusions sont publiées aujourd'hui dans Communication Nature .
Comme notre architecture informatique actuelle ne devient pas beaucoup plus rapide et utilise beaucoup de puissance, combinée à l'explosion des demandes de stockage d'informations, les chercheurs s'intéressent à de nouvelles stratégies pour stocker plus d'informations d'une manière économe en énergie. Une voie potentielle consiste à stocker des informations à la limite d'échelle ultime :un seul atome. "Les ordinateurs ont atteint des limites fondamentales quant à l'amélioration qu'ils peuvent apporter, créant une énorme demande dans la recherche de matériaux pour des alternatives. Les ordinateurs modernes consomment beaucoup d'électricité, consomment actuellement plus de 5 % de l'électricité mondiale. La science fondamentale dit que nous pouvons gagner beaucoup plus en efficacité énergétique. Nous nous concentrons sur un élément très basique des ordinateurs modernes :un peu de mémoire. Nous utilisons des atomes, car ils sont la plus petite unité de la matière et nous permettent également de mieux comprendre la science fondamentale derrière leur comportement. Notre question actuelle :comment pouvons-nous stocker des informations dans un seul atome et dans quelle mesure pouvons-nous rendre cette information stable ?", explique le premier auteur Brian Kiraly.
Les atomes doivent arrêter de se retourner pour stocker des informations
Lorsque vous descendez au niveau de l'atome unique, atomes qui sont magnétiques, ne reste plus stable. "Ce qui définit un aimant permanent, c'est qu'il a un pôle nord et un pôle sud, qui reste dans la même orientation, " Le professeur de microscopie à sonde à balayage Alexander Khajetorians explique, "Mais quand vous descendez à un seul atome, les pôles nord et sud de l'atome commencent à basculer et ne savent pas dans quelle direction ils doivent pointer, car ils deviennent extrêmement sensibles à leur environnement. Si vous voulez qu'un atome magnétique contienne des informations, il ne peut pas basculer. Depuis une dizaine d'années, les chercheurs se demandent :pour que l'atome s'arrête de basculer, combien d'atomes sont nécessaires pour stabiliser l'aimant, et combien de temps peut-il conserver ses informations avant qu'il ne se retourne à nouveau ? Au cours des deux dernières années, des scientifiques de Lausanne et d'IBM Almaden ont trouvé comment empêcher l'atome de basculer, montrant qu'un seul atome peut être une mémoire. Pour faire ça, les chercheurs ont dû utiliser des températures très basses, 40 Kelvin ou -233 degrés Celsius. Cette technologie est limitée à des températures extrêmement basses."
Les scientifiques de l'Université Radboud ont adopté une approche différente. En choisissant un substrat spécial - phosphore noir semi-conducteur -, ils ont découvert une nouvelle façon de stocker des informations dans des atomes de cobalt uniques, qui contourne les problèmes classiques d'instabilité. A l'aide d'un microscope à effet tunnel, où une pointe métallique pointue se déplace sur leur surface à quelques atomes de distance, ils pouvaient « voir » des atomes de cobalt isolés à la surface du phosphore noir. En raison de la résolution extrêmement élevée et des propriétés spéciales du matériau, ils ont directement montré que les atomes de cobalt uniques pouvaient être manipulés dans l'un des deux états binaires.
Plus grande stabilité que les anciens aimants
Les électrons d'un atome en orbite autour du noyau, mais aussi "tourne" eux-mêmes, un peu comme la Terre tourne à la fois autour du Soleil et de son propre axe. Le montant total qu'il tourne, ou son moment cinétique, est ce qui nous donne le magnétisme. "Au lieu de ce moment angulaire de spin, que les chercheurs précédents ont utilisé, nous avons trouvé un moyen de faire une différence d'énergie entre quelques-unes des orbitales de l'atome de cobalt et utilisons maintenant le moment angulaire orbital pour notre mémoire atomique. Cela a une barrière énergétique beaucoup plus grande et pourrait être viable pour rendre la mémoire à un seul atome stable à température ambiante.
À la fin, c'est toujours un aimant avec un moment cinétique, mais nous sommes maintenant capables de contrôler l'atome de 0 à 1 état, qui a une stabilité beaucoup plus élevée que les autres aimants, " dit Kiraly. " Lorsque nous avons mené l'expérience pour la première fois et que nous avons vu cette commutation binaire, nous n'étions pas sûrs de ce qui se passait. Dans une belle collaboration avec des théoriciens de l'Université Radboud, Misha Katsnelson et Sasha Rudenko, nous avons pu signaler que nous observions le moment orbital de l'atome et que nous avions créé un nouveau souvenir, ", ajoute les Khajetoriens.
Stockez mille fois plus d'informations
À l'heure actuelle, les éléments qui stockent les bits du disque dur sont encore mille fois plus gros qu'un atome. Khajetooriens :« Ce que signifie ce travail, c'est que, si nous pouvions construire un vrai disque dur à partir de tous ces atomes - et nous en sommes encore loin - vous pourriez stocker des milliers de fois plus d'informations."
