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。

圖1、由35個氙氣原子排成的IBM字樣。(來源:維基百科)
圖一:由35個氙氣原子排成的IBM字樣。(來源:維基百科)

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。

圖二:(a) 將原子排列在材料表面上的不同位置,儲存0和1的訊息。(b) 所有原子位於0的位置。(c) 透過二進位的方式,排列出研究團隊所在的大學名字的ACSII編碼。(d)所有原子位於1的位置。(來源:參考資料2)
圖二:(a) 將原子排列在材料表面上的不同位置,儲存0和1的訊息。(b) 所有原子位於0的位置。(c) 透過二進位的方式,排列出研究團隊所在的大學名字的ACSII編碼。(d)所有原子位於1的位置。(來源:參考資料2)

●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!

圖3、奧圖團隊將1959年費曼演講「在微小的世界中還有更多的空間」的節錄儲存於該記憶體。(來源:參考資料2)
圖三:奧圖團隊將1959年費曼演講「在微小的世界中還有更多的空間」的節錄儲存於該記憶體。(來源:參考資料2)

參考資料:

  1. F. E. Kalff et. al. A kilobyte rewritable atomic memory Nature Nanotechnology (2016)
  2. Sebastian Loth et. al. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets Science 335 6065 196 (2012)

 

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