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Atomares Gedächtnis mit Nano-Präzision messen
Die Ereignisse, die im Inneren von Atomen stattfinden, treten mit Geschwindigkeiten auf, die normalerweise viel zu schnell sind, um sie einzufangen. Jetzt Forscher bei IBM 'S Forschungszentrum Almaden haben eine Technik entwickelt, mit der sie diese atomare Aktion mit beispielloser Auflösung beobachten können.
Speichermaschine: IBM-Forscher Sebastian Loth bedient das Rastertunnelmikroskop, mit dem sein Team gemessen hat, wie lange ein einzelnes Atom Informationen speichern kann.
Die Forscher verwendeten die Technik, um die Ausrichtung des Spins eines Atoms, eine grundlegende Quanteneigenschaft, umzudrehen und dann zu messen, wie lange sich das Atom an diesen Zustand erinnerte, bevor es in seinen natürlichen Spinzustand zurückkehrte. Dies ist ein erster Schritt zur Entwicklung einer Art Computerspeicher, der auf atomarer Ebene arbeitet, und die Technik könnte auch von Materialwissenschaftlern genutzt werden, um Grundlagenforschung zu betreiben, die für die Herstellung effizienterer organischer Solarmaterialien erforderlich ist.
Die Beeinflussung und Messung des Spinzustands eines Atoms ist eine Möglichkeit, ein Quantenbit oder Qubit herzustellen, das in einem Quantencomputer gleichzeitig als 1 und als 0 dienen kann. Es ist möglich, den Spin eines Atoms statisch zu messen, aber bisher war es nicht möglich, die Spinänderung eines Atoms im Laufe der Zeit zu beobachten.
Forscher unter der Leitung von Don Eigler und Andreas Heinrich im IBM-Labor in San Jose, Kalifornien, konnten mit einem modifizierten Rastertunnelmikroskop oder STM – einem Instrument, das IBM-Forscher im Jahr 1981 erfunden haben – beobachten, wie sich Atomspins im Laufe der Zeit umdrehen oder entspannen Bilder des Atomzustands alle fünf Nanosekunden – eine Million Mal schneller als zuvor.
Die IBM-Forscher fanden heraus, dass ein einzelnes Eisenatom etwa eine Nanosekunde lang magnetische Informationen in Form von Spins speichern kann. Wenn sich das Eisenatom jedoch in der Nähe eines Kupferatoms befindet, verlängert sich sein Quantengedächtnis, sodass es etwa 200 Nanosekunden dauert, bis sich der Spin entspannt. Die Ergebnisse wurden letzte Woche im Journal veröffentlicht Wissenschaft .
Die Informationen zerfallen in 200 Nanosekunden, aber das ist viel Zeit, sagt Sebastian Loth, Mitglied des Forschungsteams. Aktuelle Prozessoren führen in dieser Zeit mehrere hundert Rechenzyklen durch.
Wenn die Spitze eines STM sehr nahe an eine Oberfläche gebracht wird, kann elektrischer Strom zwischen Atomen auf der Oberfläche und seiner Spitze fließen. Durch das Bewegen über eine Oberfläche kann das Mikroskop ein Bild davon erstellen. Und durch die Analyse des Stromflusses ist es möglich, etwas über den magnetischen Zustand des Atoms einschließlich seines Spins zu erfahren.
Um die zeitliche Auflösung des STM zu verbessern, modifizierten die Forscher die Spitze so, dass sie den elektrischen Strom nicht nur misst, sondern auch liefert. Sie speisten ein Atom mit Strom und maßen dann nach einer bestimmten Zeit seinen Zustand. Für jeden solchen Zeitraum nahmen sie 100.000 Messungen vor. Sie variierten die Zeit zwischen Pulsen und Messungen und wiederholten den Vorgang immer wieder. Die Bilder jeder Messung wurden als Frames in einem Video zusammengefasst. Durch die Zusammenstellung dieser Bilder erstellten die Forscher ein bewegtes Bild des Spinzustands des Atoms, wobei alle fünf Nanosekunden ein Bild aufgenommen wurde.
Loth sagt, die IBM-Forscher hoffen, die schnelle STM-Technik für zwei grundlegende Forschungsgebiete einsetzen zu können. Erstens werden sie es weiterhin verwenden, um zu bestimmen, ob verschiedene Kombinationen von Atomen Quanteninformationen länger speichern können. Zweitens hoffen die Forscher, durch die Verwendung eines Photonenstroms anstelle eines Elektronenstroms als Impulssignal, so Loth, ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie einige organische Moleküle Licht in elektrische Energie umwandeln. Dies könnte zu besseren Solarzellen führen.
Systeme wie die von IBM zum Umdrehen und Messen von Atomspins könnten möglicherweise Teil eines zukünftigen Quantencomputers sein, sagt Alan Aspuru-Guzik , Professor für Chemie und chemische Biologie an der Harvard University. Den Spin von Atomen zu verändern und zu messen und vorhersagen zu können, wie sich Atome verhalten werden, sei ein wichtiger Schritt zu diesem Ziel, sagt er. Die meisten der bisher hergestellten Geräte seien eher Quantenspielzeug als Computer. Aber das Feld bewege sich stetig vorwärts, sagt er. Jede Woche demonstriert jemand, wie man das Qubit ein bisschen besser manipuliert.