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Misurazione della memoria atomica con Nano Precision
Gli eventi che si verificano all'interno degli atomi si verificano a velocità che normalmente sono troppo elevate per essere catturate. Ora i ricercatori a IBM 'S Centro di ricerca Almaden hanno sviluppato una tecnica che consente loro di osservare questa azione atomica con una risoluzione senza precedenti.
Macchina della memoria: Il ricercatore IBM Sebastian Loth utilizza il microscopio a scansione a effetto tunnel che il suo team ha utilizzato per misurare per quanto tempo un singolo atomo può memorizzare le informazioni.
I ricercatori hanno usato la tecnica per invertire l'orientamento dello spin di un atomo, una proprietà quantistica fondamentale, e quindi per misurare per quanto tempo l'atomo ha ricordato questo stato prima di tornare al suo stato di spin naturale. Questo è un primo passo verso lo sviluppo di un tipo di memoria per computer che funzioni su scala atomica e la tecnica potrebbe essere utilizzata anche dagli scienziati dei materiali per eseguire la ricerca di base necessaria per produrre materiali solari organici più efficienti.
Influenzare e misurare lo stato di spin di un atomo è un modo per creare un bit quantistico, o qubit, che può fungere contemporaneamente da 1 e da 0 in un computer quantistico. È possibile effettuare una misurazione statica dello spin di un atomo, ma fino ad ora non è stato possibile osservare il cambiamento di spin di un atomo nel tempo.
I ricercatori guidati da Don Eigler e Andreas Heinrich presso il laboratorio IBM a San Jose, in California, sono stati in grado di osservare gli spin atomici capovolgersi, o rilassarsi, nel tempo utilizzando un microscopio a effetto tunnel modificato, o STM, uno strumento inventato dai ricercatori IBM nel 1981. Hanno catturato immagini dello stato dell'atomo ogni cinque nanosecondi, un milione di volte più veloce di prima.
I ricercatori IBM hanno scoperto che un singolo atomo di ferro può immagazzinare informazioni magnetiche sotto forma di spin per circa un nanosecondo. Tuttavia, quando l'atomo di ferro è vicino a un atomo di rame, la sua memoria quantistica si prolunga, così che occorrono circa 200 nanosecondi affinché lo spin si rilassi. I risultati sono stati pubblicati la scorsa settimana sulla rivista Scienza .
Le informazioni decadono in 200 nanosecondi, ma è molto tempo, afferma Sebastian Loth, un membro del team di ricerca. I processori attuali eseguono diverse centinaia di cicli di calcoli in quel lasso di tempo.
Quando la punta di un STM viene portata molto vicino a una superficie, la corrente elettrica può fluire tra gli atomi sulla superficie e la sua punta. Spostandosi su una superficie, il microscopio può generarne un'immagine. E analizzando il flusso di corrente, è possibile conoscere lo stato magnetico dell'atomo, incluso il suo spin.
Per migliorare la risoluzione temporale dell'STM, i ricercatori hanno modificato la punta in modo che non solo misurasse la corrente elettrica, ma la fornisse anche. Hanno fornito corrente a un atomo e poi ne hanno misurato lo stato dopo un determinato periodo di tempo. Per ciascuno di questi periodi di tempo, hanno effettuato 100.000 misurazioni. Hanno variato il tempo tra gli impulsi e le misurazioni, ripetendo il processo ancora e ancora. Le immagini di ciascuna misurazione sono state combinate come fotogrammi in un video. Mettendo insieme questi fotogrammi, i ricercatori hanno creato un'immagine in movimento dello stato di rotazione dell'atomo, con un fotogramma preso ogni cinque nanosecondi circa.
Loth afferma che i ricercatori IBM sperano di utilizzare la tecnica STM veloce per due aree di ricerca di base. Innanzitutto, continueranno a usarlo per determinare se diverse combinazioni di atomi possono memorizzare informazioni quantistiche più a lungo. In secondo luogo, utilizzando un flusso di fotoni invece di un flusso di elettroni come segnale di impulso, afferma Loth, i ricercatori sperano di ottenere una migliore comprensione di come alcune molecole organiche convertono la luce in energia elettrica. Questo potrebbe portare a migliori celle solari.
Sistemi come quello di IBM per capovolgere e misurare gli spin atomici potrebbero potenzialmente far parte di un futuro computer quantistico, afferma Alan Aspuru-Guzik , professore di chimica e biologia chimica all'Università di Harvard. Alterare e misurare lo spin degli atomi, ed essere in grado di prevedere come si comporteranno gli atomi, è un passo importante verso questo obiettivo, dice. La maggior parte dei dispositivi che sono stati realizzati finora, dice, sono più simili a giocattoli quantistici che a computer. Ma il campo si sta muovendo costantemente in avanti, dice. Ogni settimana qualcuno dimostra di manipolare un po' meglio il qubit.