Memory Komputer Membawa Spin: Fisikawan Baca Data Setelah Menyimpan Mereka di Nukleus Atom untuk 112 Detik

Livejurnal69 - University of Utah fisikawan disimpan informasi untuk 112 detik dalam apa yang mungkin menjadi memori komputer terkecil di dunia: magnet "berputar" di pusat-pusat atau inti atom. Kemudian fisikawan diambil dan membaca data elektronik - sebuah langkah besar terhadap penggunaan jenis baru memori untuk kedua komputer yang lebih cepat konvensional dan supercepat "kuantum".

"Panjang memori spin kami mengamati lebih dari cukup untuk menciptakan kenangan untuk komputer," kata Christoph Boehme (diucapkan Boo-meh), seorang profesor fisika dan penulis senior studi baru yang dipublikasikan Jumat, 17 Desember dalam jurnal Science. "Ini cara yang benar-benar baru untuk menyimpan dan membaca informasi."

Namun, beberapa kendala teknis besar tetap: spin nuklir penyimpanan-dan-membaca-out aparat bekerja hanya sebesar 3,2 derajat Kelvin, atau sedikit di atas nol mutlak - suhu di mana atom hampir beku berhenti, dan hanya bisa goncang sedikit bit. Dan aparat harus dikelilingi oleh medan magnet yang kuat sekitar 200.000 kali lebih kuat dari Bumi.

"Ya, Anda segera bisa membangun chip memori dengan cara ini, tetapi apakah Anda menginginkan komputer yang dapat dioperasikan pada 454 derajat di bawah nol Fahrenheit dan di lingkungan laboratorium besar nasional magnet?" Boehme mengatakan. "Pertama kita ingin belajar bagaimana melakukannya pada suhu tinggi, yang lebih praktis untuk perangkat, dan tanpa ini medan magnet yang kuat untuk meluruskan berputar."

Adapun pembacaan listrik memperoleh data diadakan dalam inti atom, "tidak ada yang telah melakukan ini sebelumnya," tambahnya.

Dua tahun lalu, kelompok lain ilmuwan yang dilaporkan menyimpan data kuantum yang disebut selama dua detik dalam inti atom, tapi mereka tidak membacanya elektronik, sebagai Boehme dan rekan lakukan dalam studi baru, yang menggunakan data klasik (0 atau 1) bukan daripada data kuantum (0 dan 1 secara bersamaan). Teknik ini dikembangkan dalam studi 2006 oleh Boehme, yang menunjukkan hal itu layak untuk membaca data yang tersimpan dalam spin magnetik bersih 10.000 elektron dalam atom fosfor tertanam dalam semikonduktor silikon.

Studi baru menempatkan bersama penyimpanan nuklir data dengan pembacaan listrik dari data, dan "itu apa yang baru," kata Boehme.

Penelitian ini dipimpin oleh Boehme dan pertama penulis Dane McCamey, asisten profesor mantan penelitian fisika di Universitas Utah dan masih seorang asisten profesor tambahan. afiliasi utamanya sekarang adalah dengan Universitas Sydney. Lain co-penulis adalah Hans van Tol dari Tinggi Nasional Medan Magnet Laboratorium di Tallahassee, Florida, dan Gavin Morley dari University College London.

Studi ini didanai oleh National High Magnetic Field Laboratory, National Science Foundation, Australian Research Council, Inggris Teknik dan Ilmu Pengetahuan Alam Research Council dan Komisi Royal untuk Pameran tahun 1851, sebuah lembaga pendanaan Inggris dipimpin oleh Pangeran Philip.

Dari Kenangan Elektronik dan Spintronic

komputer modern elektronik, yang berarti informasi yang diolah dan disimpan dengan mengalirkan listrik dalam bentuk elektron, yang bermuatan negatif partikel subatom yang mengorbit inti atom masing-masing. Transistor di komputer saklar listrik yang menyimpan data sebagai "bit" di mana "off" (tanpa biaya listrik) dan "pada" (biaya yang sekarang) merupakan salah satu bit informasi: baik 0 atau 1.

Quantum komputer - tujuan yang belum direalisasi - akan berjalan pada prinsip-prinsip mekanika kuantum aneh, di mana partikel-partikel terkecil cahaya dan materi bisa berada di tempat yang berbeda pada saat yang sama. Dalam komputer kuantum, satu bit kuantum atau "qubit" dapat baik 0 dan 1 pada saat yang sama. Itu berarti komputer kuantum secara teoritis dapat milyaran kali lebih cepat daripada komputer konvensional.

McCamey mengatakan memori terbuat dari silikon "diolah" dengan atom fosfor dapat digunakan pada kedua komputer elektronik konvensional maupun di komputer kuantum di mana data disimpan bukan dengan "on" atau "off" muatan listrik, melainkan dengan "up" atau "turun "magnetik berputar dalam inti atom fosfor.

medan listrik eksternal diterapkan akan digunakan untuk membaca dan mengolah data disimpan sebagai "berputar" - hanya apa McCamey, Boehme dan rekan melakukan dalam penelitian terbaru mereka. Dengan menunjukkan kemampuan untuk membaca data yang tersimpan di nuklir berputar, para ahli fisika mengambil langkah penting dalam menghubungkan spin dengan elektronika konvensional - bidang yang disebut spintronics.

Spin adalah sebuah konsep asing untuk memahami. Sebuah cara sederhana untuk menggambarkan spin adalah membayangkan bahwa setiap partikel - seperti elektron atau proton dalam atom - berisi magnet batang kecil, seperti jarum kompas, yang menunjuk baik atas atau bawah untuk mewakili spin partikel. Bawah dan atas bisa mewakili 0 dan 1 dalam komputer kuantum spin berbasis.

Boehme mengatakan spin inti atom 'yang lebih baik untuk menyimpan informasi dari spin elektron. Itu karena orientasi spin elektron memiliki daya tahan pendek karena berputar dengan mudah diubah oleh elektron terdekat dan suhu di dalam atom.

Sebaliknya, "duduk inti di tengah dan spin atom adalah tidak kacau dengan dengan apa yang terjadi di awan elektron di sekitar inti," kata McCamey. "Nukleus pengalaman kesendirian hampir sempurna. Itu sebabnya inti adalah tempat yang baik untuk menyimpan informasi magnetis Nuklir berputar di mana kita menyimpan informasi memiliki waktu penyimpanan yang sangat panjang sebelum peluruhan informasi.."

112 rata-rata penyimpanan kedua kalinya dalam penelitian baru mungkin tidak tampak lama, tapi Boehme mengatakan dynamic random access memory (DRAM) dalam PC atau laptop modern menyimpan informasi untuk milidetik saja (seperseribu detik). Informasi harus berulang kali refresh, yang adalah bagaimana memori komputer dipertahankan, ia menambahkan.

Bagaimana Menyimpan dan Lalu Baca Data di Spins dari Nukleus Atom

Untuk percobaan, McCamey, Boehme dan rekan menggunakan wafer, silikon tipis fosfor-doped berukuran 1 milimeter persegi, dan ditempatkan kontak listrik di atasnya. Perangkat ini berada di dalam wadah supercold, dan dikelilingi oleh medan magnet kuat. Kabel menghubungkan perangkat ke sumber arus dan osiloskop untuk merekam data.

Para ahli fisika yang digunakan medan magnet yang kuat 8,59 Tesla untuk menyelaraskan spin elektron fosfor. Itu 200.000 kali lebih kuat dari medan magnet bumi.

Kemudian, pulsa gelombang elektromagnetik di dekat-Terahertz digunakan untuk "menulis" atas atau bawah berputar ke elektron mengorbit atom fosfor. Selanjutnya, FM-range gelombang radio digunakan untuk mengambil data yang tersimpan di spin elektron dan menuliskannya ke inti fosfor.

Kemudian, pulsa lain dari gelombang dekat-Terahertz digunakan untuk mentransfer informasi spin nuklir kembali ke elektron mengorbit, dan memicu proses pembacaan. pembacaan ini diproduksi karena elektron 'berputar dijabarkan ke variasi arus listrik.

"Kita membaca spin dari inti dalam kebalikan dari cara kita menulis informasi," kata Boehme. "Kami memiliki mekanisme yang mengubah spin elektron menjadi arus."

Meringkas proses, Boehme mengatakan, "Kami pada dasarnya wrote 1 dalam inti atom" Kami telah. Menunjukkan bahwa kami bisa menulis dan membaca [spin data dalam inti], "dan menunjukkan bahwa informasi tersebut dapat dibaca berulang kali dari inti untuk rata-rata 112 detik sebelum semua inti fosfor kehilangan informasi spin mereka. Dalam waktu yang jauh lebih singkat, para ahli fisika membaca dan membaca kembali data yang sama nuklir berputar 2.000 kali, menunjukkan tindakan membaca data yang berputar tidak akan merusaknya, membuat memori handal, Boehme kata.

Membacakan data disimpan sebagai spin terlibat membaca kolektif spin sejumlah besar inti dan elektron, Boehme kata. Yang akan bekerja untuk komputer klasik, tetapi tidak untuk komputer kuantum, yang readouts harus mampu membedakan spin inti tunggal, ia menambahkan. Boehme berharap dapat dicapai dalam beberapa tahun.