IBM在原子級記憶體領域取得突破

原子級磁性記憶體(atomic-scale magnetic memory)的研發取得了重大突破──IBM的研究人員宣佈，他們已經能操控個別的鈷(cobalt)原子。IBM是透過成功地擷取能在一個表面上移動磁性原子所需的力(force)的特徵，揭開了位元胞(bit-cells )僅需幾個原子就可儲存的未來記憶體技術發展序幕。

即使是密度最高的磁性記憶體，都得採用100萬個或者更多的原子來儲存一個位元。而去年秋天，IBM位於美國加州的Almaden研究中心示範了採用單一原子儲存1個位元的能力，這種技術被稱為磁異向性(magnetic anisotropy)。該實驗是採用一種掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)傳送電流通過一個鈷原子；不過這種方法需要在僅一個原子厚的絕緣單層(insulating monolayer)上進行。

IBM的研究人員發現，這麼薄的絕緣層無法在一個鈷原子上儲存位元，需要採用厚絕緣層來排除STM的穿隧作用。因此Almaden研究中心的科學家必須設計不同的方法來搬移鈷原子，以實現未來的原子級記憶體。

而IBM所使用的新方法，是採用由IBM科學家Gerd Binnig及其同事，在1986年開發的原子力顯微鏡(atomic-force microscope，AFM)；當年Binnig與同事Heinrich Rohrer因開發STM共同獲頒諾貝爾獎。

「我們試圖在這個實驗上採用原子力顯微鏡的主要原因，是由於在絕緣層上所需要建構的磁性結構太厚，無法採用STM。」IBM的科學家Andreas Heinrich表示：「我們已經發現，想要建構的磁性奈米結構需要更厚的絕緣層，因此才開始採用不需穿隧電流的AFM。」

「這種方法能讓我們利用非常少的磁性原子來建構磁性儲存結構，例如每一位元只須約5個原子。」Heinrich補充。

相較之下，目前硬碟機上的磁區大約是20奈米(nm)長，並有100奈米寬、面積約2,000平方奈米的磁軌。相較之下，IBM所描述的未來原子級記憶體將比前者小500倍，面積僅4平方奈米。如此微小的磁區需要更精密地擷取移動單個鈷原子就位所需的原子力。

例如在光滑的白金(platinum)表面把一個磁性鈷原子移動就位，需要總共210pN (pico-newtons)的力；而在銅表面上移動一個鈷原子僅僅需要17pN的力。相較之下，需要用大約10倍的力來量才能打破分子中兩個原子之間的化學鍵。

「如果一個原子的運動是你的元件的功能設計組成部份，它就像我們的分子開關(molecular switch)一樣，那麼我們現在就有一個關於使這樣的元件工作所需要的力度的、非常好的概念。」Heinrich表示：「如此我們就不會向無頭蒼蠅一樣，因為已經把我們所需要的力進行了量化。」

為了測量這個力，IBM與來自德國雷根斯堡大學(University Regensburg)的Franz Giessibl進行合作；Giessibl發明了一種在ATM的使用端採用微小石英音叉(quartz)共同工作的技術。當AFM施力移動鈷原子，音叉的頻率會變化，科學家因此可讀取移動原子所需要的力道數值。

研究人員表示，透過實驗令人驚訝地發現，當試圖施加一個向上的力道來減經負載──就像是微抬起一個箱子好讓它能較容易在地面上滑動──對原子完全沒有作用。只有施加橫向力道(lateral force)才能撬起原子，使其能跳躍移動到晶格的下一個位置。

(參考原文： IBM unveils atomic memory advance)