将磁体切成两半，它会变成两个较小的磁体。再次切片制成四个。 但是，磁体越小，它们就越不稳定；它们的磁场往往会随时翻转极性。 然而，现在物理学家们已经成功地用单个原子制造出了稳定的磁体。
该团队于 3 月 8 日在《自然》杂志上发表了他们的工作成果，他们使用单原子磁体制造了一种原子硬盘。这款可重写设备由 2 个这样的磁体组成，只能存储 2 位数据，但瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的物理学家、论文作者法比安·纳特勒表示，扩展后的系统可以将硬盘存储密度提高 1000 倍。
“这是一项里程碑式的成就，” 荷兰代尔夫特理工大学的物理学家桑德·奥特说。“最终，单原子磁稳定性得到了无可否认的证明。”
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在普通硬盘内部，有一个磁盘被分割成磁化区域——每个区域都像一个微小的条形磁体——其磁场可以向上或向下。每个方向代表 1 或 0——一个称为“位”的数据单位。磁化区域越小，可以存储的数据密度就越高。但是磁化区域必须稳定，这样硬盘内部的“1”和“0”才不会意外切换
目前商用位由约 100 万个原子组成。但在实验中，物理学家们已经大大减少了存储 1 位数据所需的原子数量——从 2012 年的 12 个原子减少到现在仅一个。纳特勒和他的团队使用了钬原子，一种稀土金属，它位于氧化镁片上，温度低于 5 开尔文。
纳特勒说，钬特别适合单原子存储，因为它有许多未配对的电子，这些电子产生强大的磁场，并且它们位于靠近原子中心的轨道上，在那里它们受到环境的屏蔽。这使得钬具有既大又稳定的磁场。但是屏蔽也有一个缺点：它使得钬非常难以相互作用。直到现在，许多物理学家都怀疑是否有可能可靠地确定原子的状态。
数据位
为了将数据写入单个钬原子，该团队使用了来自扫描隧道显微镜磁化尖端的电流脉冲，这可以将原子场的方向在 0 或 1 之间翻转。在测试中，磁体被证明是稳定的，每个磁体都将其数据保留了几个小时，团队从未看到一个磁体意外翻转。他们使用相同的显微镜来读出位——不同的电流流量揭示了原子的磁状态。
为了进一步证明尖端可以可靠地读取位，该团队（包括来自技术公司 IBM 的研究人员）设计了第二种间接读取方法。他们使用相邻的铁原子作为磁传感器，对其进行调整，使其电子特性取决于 2 位系统中两个钬原子磁体的方向。奥特说，该方法还允许团队同时读取多个位，这使其比显微镜技术更实用且侵入性更小。
使用单个原子作为磁位将大大提高数据存储密度，纳特勒说，他的 EPFL 同事正在研究制造大型单原子磁体阵列的方法。但是，2 位系统离实际应用还很远，并且远远落后于另一种单原子存储，后者将数据编码在原子的位置而不是磁化强度中，并且已经构建了一个 1 千字节（8,192 位）可重写数据存储设备。
然而，奥特说，磁性系统的一个优点是它可以与自旋电子学兼容。这项新兴技术不仅使用磁状态来存储数据，还使用磁状态来代替电流在计算机中移动信息，这将使系统更加节能。
在短期内，物理学家们对研究单原子磁体更感兴趣。例如，纳特勒计划观察三个微型磁体，这些磁体的方向使其磁场相互竞争——因此它们不断翻转。“现在你可以摆弄这些单原子磁体，像使用乐高积木一样，从头开始构建磁性结构，”他说。
本文经许可转载，并于2017 年 3 月 8 日首次发布。