IBM存储器技术有望实现单个原子存储1比特

随着IBM公司的研究人员宣布，他们已经能够操作单独的钴原子，从而标志着原子级磁存储器的设计取得了进展。 

通过首次成功地提取在表面上移动磁性原子所需要的力的特征，暗示IBM公司揭开了比特单元仅仅持有几个原子的未来存储技术的序幕。 

即使最稠密的磁性存储器均要采用1百万或者更多的原子来存储一个比特。然而，去年秋季，IBM公司Almaden研究中心证实了如何测量一个原子存储一比特的能力，该技术被称为磁性各向异性。那个实验采用一种扫描隧道显微镜(STM)来把电流发送过一个钴原子。可是，采用STM经由隧道把电流发送给一个原子，需要把原子放置在仅仅一个原子厚的绝缘单层上。 

原子力显微镜末端(顶部)把力作用于一个钴原子(黄色)上，从而把原子定位于水晶表面格子上的任意位置(底部)。 

IBM的研究人员发现，这么薄的绝缘层无法在一个钴原子上存储比特。取而代之的是，需要采用厚绝缘层来排除隧道对STM的作用。因此，Almaden的科学家必须设计不同的方法来把钴原子搬移至将来要制作原子级存储器的地方。 

IBM所描述的新方法采用了由IBM科学家Gerd Binnig及其同事在1986年开发的原子力显微镜(AFM)，那一年，他因开发STM与IBM的科学家Heinrich Rohrer一道获得了诺贝尔奖。 

“我们想要掌握如何利用一种原子力显微镜实现这些操作的原因在于，我们在绝缘层上所需要构建的磁性结构太厚，无法采用STM，”IBM的科学家Andreas Heinrich表示，“我们已经发现，我们想要构建的磁性纳米结构需要更厚的绝缘层，因此，我们开始采用一种AFM，它不需要隧道电流。” 

“这应该让我们利用非常少的磁性原子来构建磁性存储结构，比如说，每一个比特大约5个原子，”Heinrich补充说。 

目前硬盘上的磁性域大约有20纳米长、100纳米宽，面积为2000平方纳米。相比之下，IBM公司所描述的未来原子级存储器的目标是小500倍，面积仅仅为4平方纳米。如此微小的磁性域需要紧密地提取移动单个钴原子就位所需要的原子力的特征。 

在光滑的白金表面把一个磁性钴原子移动就位需要总共210pN的力；而在铜表面上移动一个钴原子仅仅需要17pN的力。比较而言，它要用大约10倍的力来打破分子中两个原子之间的化学键。 

“如果一个原子的运动是你的器件的功能设计的组成部分，它就像我们的分子开关一样，那么，我们现在就有一个使这样的器件工作所需要的力的非常好的概念，”Heinrich表示，“我们不再盲目地飞，因为我们已经把我们所需要的力进行了量化。” 

为了测量这个力，IBM与德国雷根斯堡大学的Franz Giessibl携手，发明了一种在ATM的尖锐一端采用微小石英音叉以及其常规尖端的技术。因为AFM施加力来移动钴原子，音叉的频率会变化，从而容许科学家读出移动原子所需要的力。