和原子一般大的位元
■從看見原子、移動原子，到將資訊存於原子。科學家將一顆一顆原子排成0和1，做出最小的記憶體。
撰文｜陳奕廷
1959年，加州的冬陽照在帕薩迪娜的加州理工學院。理查‧費曼在美國物理學年會中發表了知名演講「在微小世界中還有更多的空間 (There's Plenty of Room at the Bottom)」。那是個奈米科技還不流行的年代，甚至「奈米科技」這個詞彙本身都還沒被發明。演講中費曼道盡對微小世界的無限想像：「若能移動原子，就能透過原子書寫，將整套大英百科存在一個指尖的大小。」約20年後，兩位IBM科學家開發出「掃描穿隧顯微鏡 (scanning tunneling microscope, STM)」，成功解析出原子的影像，並在5年後共同獲得諾貝爾物理獎。如果伽利略是第一位窺看天體的人，這兩位科學家就是第一組觀看原子的人。3年後的1989年，IBM科學家唐納‧艾格勒將35個氙氣原子在鎳金屬表面上排出「IBM」的字樣(圖一)。除了先進技術外，完美呈現費曼30年前提到的「使用原子書寫」讓這項著名的艾格勒實驗佔遍當時科學新聞版面。同時，費曼的演講又再次流行於科技及科普社群中。艾格勒實驗加上費曼的名氣使得奈米科學越來越熱門。
●將資訊儲存於原子
2016年夏天，由同一所IBM實驗室出身的桑德‧奧圖領導的荷蘭團隊製造出世界上最小的記憶體[1]。透過移動原子，奧圖將約1 kB的資料儲存於約100*100平方奈米的面積內。這個數字乍聽並不特別驚人，但和現在最尖端的10奈米半導體製程相比便能顯現它的驚人儲存能力。如果每一個電晶體完全緊密排在一起，相同面積只能擺放約100個電晶體，儲存能力僅1/100，更不用提電晶體之間還需要空間擺放其他電子元件。製造過程中，和艾格勒相同地，奧圖團隊透過STM移動原子。STM通常用以解析原子的影像，用一根探針遠距離地靜靜觀察原子。相反地，奧圖團隊則將探針極端地靠近原子、打擾原子，直到原子受不了並移動到其他地方。如果將打擾原子的過程控制得非常精良，則可以使用探針將原子移動到任何位置。
●和原子一般小的位元
其實在2012年，早已有團隊利用磁性原子展示過類似的技術[2]。不僅使用的儀器、單一原子儲存0或1的概念，儲存的能力也非常相似。為什麼4年後，Nature 期刊再次刊登相似的技術呢？首先，嚴格來說，奧圖團隊所開發的記憶體不是透過移動原子製成的，而是移動原子之間的空隙。圖二a中，淺色的方格代表一個原子，深色的方格則是一個空隙，代表該處沒有原子佔據。奧圖團隊利用STM探針撥弄鄰近原子製造空隙或將空隙填滿，進而儲存0或1。換句話說，這是一種「減法性」、移動空隙方式。相較之下，一般「加法性」，移動原子前必須先在材料表面撒上一些原子。鋪撒的過程中，難免會加進一些髒東西礙記憶體的製造。相較之下，「減法性」的製程僅需製造空隙，比起「加法性」更簡單也更穩定。再者，大型的記憶體意味著移動大量的原子。為了製造1kB的記憶體，科學家移動超過8000個原子。若要製作一台iPhone (64GB)，需要移動的原子比全世界人口還多！為了因應巨大的數量級，奧圖團隊開發人工智慧，能夠自動辨識原子及空隙，並且操作探針來排列記憶體。唯有透過這樣的自動化製程才有機會進行大規模製造，並展現科學轉換為科技，甚至產品的可能性。
儘管如此，這項技術仍有些問題尚待解決。第一，所有原子必須保持在超低溫，否則熱擾動能輕易地破壞記憶體內的資訊。奧圖團隊無論是在移動原子或者是處於閒置狀態，都將系統溫度都維持在遠遠低於室溫的77K以下 (零下196°C)。此外，由於讀取或寫入需要STM探針，記憶體的執行速度大大地被探針限制。若能解決這些問題，相信這項技術將能改變人類科技！
參考資料：
- F. E. Kalff et. al. A kilobyte rewritable atomic memory Nature Nanotechnology (2016)
- Sebastian Loth et. al. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets Science 335 6065 196 (2012)
