Физики нашли способ записать два бита в одном атоме ( 3 фото )

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