大數據時(shí)代的存儲極限，每一個(gè)原子都代表一個(gè)字節│突破

未來(lái)，研究人員將著(zhù)重提高超晶格的熱穩定性，方案之一是在絕緣基板上生長(cháng)石墨烯。

【編者按】本文轉載自DeepTech深科技；編輯：梁博深

科學(xué)家們在石墨烯基底上合成了密度高達每平方英寸115兆的單原子磁體超晶格，預示著(zhù)這種配置將可能發(fā)展為下一代高密度存儲介質(zhì)。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的物理學(xué)家Stefano Rusponi告訴記者：“單原子磁體代表了目前高密度存儲的理論上限，即每一個(gè)原子都代表一個(gè)字節。目前，研究人員主要集中在如何優(yōu)化襯底上隨機分布的單個(gè)原子和小簇族的磁性。我們的最新研究實(shí)現了具有高磁穩定性的單原子超晶格陣列，這是單原子存儲介質(zhì)的首個(gè)原型。”

（左）石墨烯/銥基底上的鏑單原子超晶格陣列。 （右）超晶格表現出很大的磁滯現象，說(shuō)明其具有高磁穩定性。

正如研究人員所解釋的那樣，使用原子磁陣列作為數據存儲設備的關(guān)鍵挑戰，首先在于要確保磁性的穩定，其次要盡可能避免磁體間的相互作用，因為這會(huì )導致數據的丟失。

為了應對這一挑戰，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的HaraldBrune教授領(lǐng)導的研究團隊利用鏑原子的良好磁性，首次在石墨烯 - 銥基底上合成了上面提到的磁原子陣列。

該陣列的高磁穩定性部分來(lái)源于石墨烯和銥之間的晶格失配而產(chǎn)生周期性莫爾條紋。這種周期性的等距排列提供了鏑原子的最佳吸附點(diǎn)。

鏑原子在零下230°C左右沉積在襯底上時(shí)，它們的表面擴散機制被激活，使得鏑原子可以在襯底上來(lái)回移動(dòng)。這種運動(dòng)允許它們到達由莫爾條紋確定的最有利吸附點(diǎn)，從而形成高度有序的陣列。原子之間的平均距離僅為2.5納米。

形成陣列后，原子的磁穩定性可能被幾種機制所影響，諸如表面的電子和聲子散射，以及磁量子隧穿效應。

幸運的是，石墨烯具有非常低的表面電子和聲子密度，有效保護鏑原子不受散射干擾。此外，鏑原子具有穩定的磁基態(tài)，一定程度上可以抵抗磁量子隧穿的影響。以上兩點(diǎn)都解釋了為什么超晶格具有高磁穩定性。

測量結果顯示，這種超晶格具有非常大的磁滯曲線(xiàn)（磁體強度的表征之一），性能超過(guò)了目前最好的鏑單離子分子磁體。研究人員解釋?zhuān)@種高磁穩定性來(lái)源于原子和石墨烯-銥基底結合之后產(chǎn)生的特殊性質(zhì)，缺少任何一項都會(huì )極大地降低了整個(gè)系統的磁穩定性。

不過(guò)，當前該設計的缺點(diǎn)之一在于，系統的磁穩定性會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低。未來(lái)，研究人員將著(zhù)重提高超晶格的熱穩定性，方案之一是在絕緣基板上生長(cháng)石墨烯。

Rusponi說(shuō)：“鏑原子的磁穩定性?xún)H限于10 K（-263℃）以下，并對雜質(zhì)極其敏感，因此我們不得不在超真空環(huán)境下完成實(shí)驗。未來(lái)，我們將進(jìn)一步提高單原子磁體超晶格的性能：首先，我們計劃通過(guò)尋找單原子和襯底的最佳組合方式來(lái)提高磁穩定性的臨界溫度；其次，我們將使用覆蓋層來(lái)保護超晶格結構，使磁原子性質(zhì)更加穩定。”

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