Атомная память: 8-битный алфавит и 192-битная мелодия из игры Mario
С точки зрения науки наш прекрасный мир, окружающий нас, это нескончаемый поток данных. Каждый твит, каждый комментарий под видео на YouTube, переписка с родными посредством мессенджеров, кино, игры, цифровые книги и т.д. и т.п. Все это формирует так называемое информационное поле Земли. Концентрация данных в нем с каждым годом растет. Так к 2025 году общий объем данных в мире составит 163 зеттабайта (по данным forbes). Для примера, у меня есть внешний накопитель объемом 1 Тб, что по современным меркам не так и много. 163 зеттабайта это эквивалентно 163 миллиардам моих HDD. Площадь такого скопища носителей составила бы примерно 1,47 Тм2 (1 Тм = 1012 м), не говоря уже про массу в 26 080 000 тонн.
Это все забавные цифры, но проблема хранения большого объема данных существует, и ее пытаются решить многие ученые в мире. Сегодняшние наши герои смогли усовершенствовать собственное изобретение, использующее технологию атомной памяти. Как они это реализовали и как скоро подобная технология станет общедоступной мы узнаем из их доклада. Поехали.
Основа исследования
Живейший интерес у многих ученых вызывают исследования и разработки атомных устройств. Возможность манипулировать атомами подвигла многих к расширению их предназначения. Так появилось понятие «атомная память», проще говоря это возможность записывать данные на самом атоме. Подобные идеи не новы. Еще в далеком 1959 году физик Ричард Фейнман говорил, что все книги, написанные за время существования человека, можно было бы поместить в куб шириной 0.1 мм, если каждый атом будет содержать хотя бы 1 бит информации. Это воистину научно-фантастическое высказывание на самом деле было видением будущего, что мы имеем сейчас.
Не мог не добавить видео, где мистер Фейнман очень интересно, понятно и оживленно рассказывает некоторые интересные вещи про атомы
Однако реализовать устройства размером с атом за пределами лабораторий крайне сложно из-за их нестабильности при комнатных температурах и электронной изоляции от опорных субстратов. На помощь пришла водородная литография, то есть удаление атомов водорода с водородно-пассивированной* поверхности кремния. Подобная техника помогает избавиться от вышеописанных недостатков атомных устройств без необходимости внедрения специфических материалов. До недавнего времени все же оставалось невозможным создать большие атомные системы с использованием водородной литографии, которые работали бы безошибочно.
Пассивация* — образование на объекте тонкой пленки с высоким сопротивлением.
Для проведения водородной литографии можно использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)*, с помощью которого удается разрушить определенные Si–H (кремний-водород) соединения посредством низкоэнергетического неупругого рассеяния* электронов, тем самым оголяя оборванную связь* атома кремния, лежащего в основе.
Схематическое изображение СТМ
Неупругое рассеяние* — столкновение частиц, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращению в другие или рождению новых частиц.
Оборванная связь* — незаполненная оболочка атома в молекуле или твердом веществе.
Оборванные связи атомов кремния стали важным составляющим исследования поскольку они как, своего рода, атомные квантовые точки*, чье электронное состояние остается изолированным внутри запрещенной зоны* кремния.
Квантовая точка* (или «искусственный атом») — частица полупроводника. Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц.
Запрещённая зона* — диапазон значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристаллическом теле.
Еще одной важной особенностью оборванных связей является их стабильность при температурах около 500 К (226.85 °C).
Понятно, что водородная литография таит в себе путь к решению проблем атомных устройств, в том числе и атомной памяти. Но для практичной реализации подобных устройств необходимо достичь уровня 0% ошибок, что крайне сложно. Посему внимание ученых было направлено на увеличение атомной точности, ибо ошибочное удаление хотя бы одного атома водорода может привести к неработоспособности всей системы. Решить подобную задачу мог новый метод коррекции ошибок водородной литографии с помощью криогенного атомно-силового микроскопа (АСМ)*, когда индивидуальные оборванные связи репассивировались посредством иглы микроскопа, покрытой водородом. И опять ученые сталкиваются с проблемой. На этот раз это скорость исполнения процедуры. Несмотря на высокую эффективность нивелирования ошибок литографии, процесс занимает 10 секунд на 1 оборванную связь. Плюс к этому добавляются задержки ввиду необходимости использовать две индивидуальные обратные связи и повторного покрытия иглы водородом после каждой процедуры. Другими словами, методика хоть и показывает отличные результаты, но требует уйму времени.
АСМ* — микроскоп, который позволяет определить рельеф поверхности с разрешением вплоть до атомарного.
Схема работы АСМ
Детали создания образца
Образец создавался посредством СТМ при температуре 4.5 К. В процессе литографии применялись контролируемые импульсы напряжения. А во время репассивации игла сдвигалась по прямой к образцу с применением небольшого напряжения смещения. Для обоих процессов было приостановлено управление обратной связью СТМ, используя в качестве единственного сигнала изменения в туннельном токе, в котором было обнаружено 2 уникальные сигнатуры, способствующие успешному проведению водородной репассивации. Если эти сигнатуры выступают в качестве управляющих сигналов, то автоматическая коррекция ошибок выполняется быстрее и работает гораздо дольше.
Таким образом, литография и репассивация, работающие сообща, позволяют с уверенностью сказать о возможности создания полноценного атомно-размерного устройства хранения данных. В качестве демонстрации было создано 2 образца: 8 бит и 192 бита.
Важной составляющей описываемого эксперимента были еще и исследования по хлор-пассивированной Cu (100), когда килобайт памяти создается на поверхностных вакансиях без необходимости вертикальной манипуляции с атомами. Данная память может работать при температуре 77 К (−195.79 °C) и оставаться стабильной до 44 часов. Этот температурный предел получилось преодолеть именно благодаря задействованию структурированных оборванных связей, которые демонстрируют высокую термическую стабильность даже при температуре 477 К (203.85 °C). А плотность записи можно увеличить на 32%, поскольку оборванные связи можно располагать крайне близко друг к другу. Также важной особенностью стала возможность в любой момент (не только при создании образца) создавать или удалять оборванные связи, тем самым давая возможность перезаписывать информацию. Однако данное утверждение пока так и осталось теорией, поскольку подобные процессы сопряжены с повреждением иглы микроскопа.
Результаты экспериментов
Водородная литография
В проведении водородной литографии важна невероятная точность. Прежде всего положение каждого атома водорода в выбранной области должно быть однозначно известно, чтобы игла микроскопа прошла по образцу правильно. Малейшая ошибка может привести к тому, что будет удален не тот атом, а это приведет к неработоспособности образца.
Изображение №1
Помимо информации о расположении атомов водорода также необходимо знать и о положении других атомов, чтобы не приходилось повторять сканирование каждый раз после проведения процедур литографии.
На изображении 1а продемонстрирован снимок поверхности Si (100)-2×1. Мы можем увидеть отчетливую периодичность данной поверхности. Именно она и позволяет с помощью одного снимка определить положение всех атомов водорода (изображения 1b-f), применив анализ Фурье.
Весь процесс анализа Фурье отчётливо продемонстрирован на изображениях из группы №1. Для обнаружения атомов водорода использовались изображения размером 10×10 и 40×40 нм2.
После составления «карты» поверхности, на решетке создается желаемый паттерн, по которому будет проходить игла микроскопа. Когда игла подходит к нужной точке, на 20 мс включаются импульсы напряжения от 1.8 до 3.0 В для успешного удаления необходимых атомов водорода. По завершению удаления напряжение отключается.
Изображение №2
На изображениях 2а, 2b и 2d показан процесс создания структур оборванных связей (результат на 2е). А на 2с — водородная репассивация для исправления ошибок литографии.
Поскольку при большей температуре начинают возникать температурный дрейф* и ползучесть*, приводящие к ошибкам, СТМ работал при температуре всего 4.5 К. В таких условиях процессы легко контролировать, а СТМ можно стабилизировать спустя непродолжительное время.
Температурный дрейф* — изменение электрических параметров под воздействием температуры внешней среды.
Ползучесть* — медленный процесс деформации твердого тела из-за постоянной нагрузки или механического воздействия. В данном случае это термическое воздействие.
Если же нет возможности это сделать или же температура окружающей среды выше 4.5 К, то применяется иной метод предотвращения ошибок. Для начала делается контрольный снимок (10×10 нм2) рядом с тем, с которым будет работать СМТ. Спустя определенное время процесс литографии останавливается и делается повторный снимок обработанной области. Проводится сравнение с контрольным снимком, чтобы определить были ли отклонения от заданного паттерна ввиду дрейфа или ползучести. Если да, то паттерн корректируется так, чтобы компенсировать огрехи.
Исследователи проверили результаты литографии без подобной коррекции и с ней. В первом случае точность составляла всего 35%, во втором — 85%, что является вменяемым результатом, поскольку оставшиеся ошибки может исправить водородная репассивация.
Водородная репассивация
Как уже оговаривалось ранее, для того чтобы убрать ошибки на поверхности образца использовалась водородная репассивация, выполненная с помощью кремниевых игл с атомом водорода на конце.
Игла СТМ приближается к поверхности определенного участка образца и «зацепляет» атом кремния, что позволяет сформировать необходимую структуру водородной репассивации. Когда же игла совмещается с атомами водорода, то на снимках микроскопа становятся видны отличия. Подготовленная к процедуре игла помещается над определенной оборванной связью при напряжении образца 1.4 В и силе тока в 50 пА (пикоампер, 1 пА = 10−12 А). Далее отключается контроль обратной связи, а напряжение меняется на показатель из диапазона 100 мВ — 1.0 В. Во время регистрации туннельного тока игла микроскопа придвигается к образцу на 500–800 пм (пикометр, 1 пм = 10−12 м). По завершению процесса игла возвращается в исходное положение, напряжение восстанавливается на уровне 1.4 В, а контроль обратной связи включается.
Самое удивительно, что весь этот сложный и сдирижированный процесс запускается нажатием одной кнопки, выполняется автоматически и занимает всего 1 секунду.
С неотъемлемыми процедурами мы вкратце ознакомились, посему можно перейти к самому важному и интересному.
Атомная память
Итак, с помощью водородной литографии и водородной репассивации были созданы 2 рабочих образца атомно-размерной памяти.
1 бит был очерчен четырьмя стенками решетки, установив буфер в 1 атом между соседствующими оборванными связями. Это видно на изображении 1а.
Изображение 1а
Именно благодаря идеальной геометрии пассивированной водородом поверхности Si (100)-2×1, эта расстановка позволяет получить очень высокую плотность битов — 1.70 бит/нм2.
Образец (а) — алфавит
На изображении выше представлена 8-битная память для последовательного кодирования двоичного представления ASCII каждой буквы английского алфавита, перезаписывая каждый раз предыдущую букву. На запись 1 буквы потребовалось от 10 до 120 секунд, в зависимости от необходимого количества оборванных связей. Самым затратным по времени процессом в записи букв является водородная репассивация, поскольку она ограничена количеством свободных атомов водорода на кончике иглы микроскопа. То есть игла должна уйти из рабочей зоны для «пополнения запасов» атомов водорода, а потом продолжить процесс. Однако подобная проблема, по словам исследователей, возникает только при работе со столь малыми объектами. Если же структура обладает большим числом оборванных связей, то игла будет самовосполняться атомами в процессе работы. Еще один способ ускорить процесс это применить определенные материалы для создания самой иглы. К примеру, платина способна удерживать порядка 1000 атомов водорода одновременно.
Образец (b) — звук
Второй образец больше первого, это 192-битная память с той же битовой плотностью, на которой записан упрощенный вариант главной мелодии игры Mario. Структура состоит из 62 оборванных связей, а на ее создание ушло 250 секунд. Данную мелодию можно было воспроизвести как с помощью СТМ, так и используя изображение. Прослушать ее можно скачав небольшой видеоролик, на котором также видно какая оборванная связь за какую ноту отвечает.
Для более детального ознакомления с исследованием настоятельно рекомендую доклад ученых, в котором также описаны методики проведения измерений и детали самих опытов.
Эпилог
Данное исследование продемонстрировало, что создание рабочей атомной памяти абсолютно реально. При этом были использованы доступные приборы и понятные методики. Особая специфика водородной литографии и репассивации может быть адаптирована для использования не только с кремнием, но и с другими веществами, к примеру германий или алмаз.
Пусть подобная технология и находится в зачаточном состоянии, но, как мы знаем, все ныне распространенные технологии когда-то были в подобной ситуации. Реализация какой-либо технологии или устройства требует не только практического использования научных знаний, упорства, времени, большого числа опытов, но и немного воображения. Не зря мистер Фейнман в ролике сказал:
Я не хочу воспринимать это серьезно (касательно науки). Я считаю, что мы должны получать удовольствие (веселиться) и перестать волноваться.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
