211service.com
Måling af atomhukommelse med nanopræcision
De begivenheder, der finder sted inde i atomer, sker med hastigheder, der normalt er alt for hurtige til at fange. Nu forskere ved IBM ’s Almaden Forskningscenter har udviklet en teknik, der lader dem se denne atomare handling med hidtil uset opløsning.
Hukommelsesmaskine: IBM-forsker Sebastian Loth betjener det scannende tunnelmikroskop, som hans team brugte til at måle, hvor længe et enkelt atom kan lagre information.
Forskerne brugte teknikken til at vende orienteringen af et atoms spin, en grundlæggende kvanteegenskab, og derefter til at måle, hvor længe atomet huskede denne tilstand, før det vendte tilbage til sin naturlige spin-tilstand. Dette er et første skridt i retning af at udvikle en slags computerhukommelse, der fungerer på atomær skala, og teknikken kunne også bruges af materialeforskere til at udføre den grundlæggende forskning, der er nødvendig for at lave mere effektive organiske solmaterialer.
Påvirkning og måling af et atoms spin-tilstand er en måde at lave en kvantebit eller qubit, som samtidigt kan fungere som både et 1 og et 0 i en kvantecomputer. Det er muligt at tage en statisk måling af et atoms spin, men indtil nu har det ikke været muligt at se et atoms spin ændre sig over tid.
Forskere ledet af Don Eigler og Andreas Heinrich ved IBM's laboratorium i San Jose, Californien, var i stand til at se atomspin vende eller slappe af over tid ved hjælp af et modificeret scanning tunnelmikroskop eller STM – et instrument IBM-forskere opfandt i 1981. De fangede billeder af atomets tilstand hvert femte nanosekund - en million gange hurtigere end før.
IBM-forskerne fandt ud af, at et enkelt jernatom kan lagre magnetisk information i form af spin i omkring et nanosekund. Men når jernatomet er i nærheden af et kobberatom, forlænges dets kvantehukommelse, så det tager omkring 200 nanosekunder for spindet at slappe af. Resultaterne blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Videnskab .
Informationen henfalder på 200 nanosekunder, men det er meget tid, siger Sebastian Loth, medlem af forskerholdet. Nuværende processorer udfører flere hundrede cyklusser af beregninger på den tid.
Når spidsen af en STM bringes meget tæt på en overflade, kan der strømme elektrisk strøm mellem atomer på overfladen og dens spids. Ved at bevæge sig hen over en overflade kan mikroskopet danne et billede af den. Og ved at analysere strømstrømmen er det muligt at lære om atomets magnetiske tilstand, inklusive dets spin.
For at forbedre tidsopløsningen af STM ændrede forskerne spidsen, så den ikke kun målte elektrisk strøm, men også forsynede den. De tilførte strøm til et atom og målte derefter dets tilstand efter et bestemt tidsrum. For hver sådan periode tog de 100.000 målinger. De varierede tiden mellem pulser og målinger og gentog processen igen og igen. Billederne fra hver måling blev kombineret som rammer i en video. Ved at sætte disse rammer sammen skabte forskerne et bevægende billede af atomets spintilstand, med en billedramme taget hvert femte nanosekund eller deromkring.
Loth siger, at IBM-forskerne håber at kunne bruge den hurtige STM-teknik til to grundlæggende forskningsområder. For det første vil de fortsætte med at bruge det til at bestemme, om forskellige kombinationer af atomer kan lagre kvanteinformation i længere tid. For det andet, ved at bruge en strøm af fotoner i stedet for en strøm af elektroner som pulssignal, siger Loth, håber forskerne at få en bedre forståelse af, hvordan nogle organiske molekyler omdanner lys til elektrisk energi. Det kan føre til bedre solceller.
Systemer som IBM's til at vende og måle atomspin kunne potentielt være en del af en fremtidig kvantecomputer, siger Alan Aspuru-Guzik , professor i kemi og kemisk biologi ved Harvard University. Ændring og måling af atomers spin og at være i stand til at forudsige, hvordan atomer vil opføre sig, er et vigtigt skridt mod dette mål, siger han. De fleste af de enheder, der er blevet lavet indtil videre, siger han, ligner mere kvantelegetøj end computere. Men feltet bevæger sig støt fremad, siger han. Hver uge viser nogen, at de manipulerer qubitten lidt bedre.