科学家用单原子，造出了超级硬盘

把一块磁铁分成两块，它就变成了两块小磁铁。如果你再把它分开，它会变成4块。但是随着磁铁变得越来越小，它们的磁场变得越来越不稳定:磁极来回翻转。现在物理学家可以把单个原子变成稳定的磁子。

纳特勒和他的研究小组在3月8日的《自然》杂志上发表了一篇论文，称原子硬盘可以由钬单原子磁子制成。这个原子硬盘包含两个钬单原子磁子，只能存储2个字节的数据。该论文的作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家费边·纳特特尔认为，硬盘的扩展可以将硬盘的存储密度提高1000倍。

荷兰代尔夫特科技大学的物理学家桑德·奥特评论道:“这是一项了不起的成就，[他们]终于在单个原子上实现了磁场稳定性。”

普通数据硬盘包含许多磁化区域，每个磁化区域就像一个小磁棒，其磁场方向可以是向上或向下。磁场的方向表示1或0，即数据单位位。这些磁化区域越小，数据存储密度就越高。然而，有必要确保磁化区域是稳定的，以便它们所代表的1和0不会错误地改变。

目前，市场上的存储设备需要使用一百万个原子来表示位单元。然而，物理学家已经大大减少了实验室中代表1位数据所需的原子数量:从2012年Loth S等人使用的12个原子减少到今天的只有一个原子。纳特勒和他的团队使用了稀土元素钬(ho，元素67)。他们把钬原子放在氧化镁板上，并把它们放在低于5开尔文的环境中。

研究人员选择钬原子作为单原子存储材料，因为钬原子有许多不成对的电子，在低温下会产生强磁场。同时，因为这些电子分布在原子中心附近的轨道上，所以很少受到外部环境的干扰。这些特性使钬原子能产生一个强而稳定的磁场。但是正是因为这些电子位于内层，所以很难观察和确定它们磁场的极性。直到现在，许多物理学家都怀疑钬原子磁场的极性是否能被真正确定。

数据字节

为了在钬原子上写入数据，研究人员需要找到控制和改变其磁场极性的方法。它们通过隧道显微镜的磁化尖端释放电流来控制钬原子磁场的极性。在测试过程中，钬原子磁子是稳定的，可以在几个小时内保持其自身的磁场极性，研究人员从未观察到不受控制的磁极反转。他们使用相同的隧道显微镜通过施加不同的电流来检测原子的磁性状态来读取存储的数据。

为了进一步验证磁化尖端能够准确读取字节数据，研究小组和IMB的研究人员共同开发了间接读取原子磁性状态的第二种方法。他们在两个钬原子旁边嵌入一个铁原子，并利用铁原子和钬原子的电子自旋共振(ESR)将铁原子的电学性质与双字节钬原子系统联系起来，将铁原子作为钬原子的磁状态传感器。钬原子的磁性状态可以通过测量铁原子的电学性质来获得。研究小组发现，这种间接方法可以同时读取多个字节的磁性状态，因此更实用。此外，与隧道显微镜法相比，隧道显微镜法对钬原子系统的损伤明显较小。

使用单个原子作为磁性字节将大大增加数据存储的密度。纳特勒和他的同事正试图制造更长的单原子磁子序列。目前，单个原子和两个字节的存储距离实际应用还很远。此外，另一种单原子存储技术利用原子位置的变化而不是磁性状态来存储信息，实现了1千位(8192位)的可读和可写存储空间。

然而，Otte说，单原子磁存储系统的优势在于它可以与自旋电子器件兼容。这种利用原子磁状态的新技术不仅可以用来存储数据，还可以代替电流在计算机中传递信息。同时，这样的系统将节省更多的能源。

从现在开始，物理学家对单原子磁子的研究没有止境。纳特现在计划观察一个三原子微型磁子系统，在这个子系统中，它们的磁场是竞争性的，因此它们的磁极将继续翻转。纳特勒说:“你可以把这些单原子磁子想象成乐高积木，把它们放在一起形成一个磁性结构。”。