ホロニウム

IBMの研究者たちが1個の原子に情報を長時間保存することに成功

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コンピュータの基本的なコンポーネントは、おなじみのニュートン物理学の世界の境界を乗り越えるほどに小さくなってきている。そして1平方インチに1兆ビットを超える情報を収めるようなハードドライブ以上に、その密度と精密さを表すことのできる場所はないだろう。しかしこの度IBMが、単一の原子にデータを読み書きすることによって、その壁を乗り越えた。

この進歩は、現段階では実用的というよりも象徴的意味合いが大きい。しかし現在の最先端技術によるものよりも遥かに小さな、実際に動作する原子データストレージの例は、もはやサイエンス・フィクションの世界だ。

原子は、いまさら聞いて驚くことはないと思うが、私たちが確実に操作することができて、安定して存在することを期待できる、物質を構成する最小の単位だ。光子との絡み合いに関する興味深い実験もあるが、それは安定せず扱い難い。目を離した隙に光の速度で飛び去ってしまわないものに期待したほうが良いだろう。なお 以前発表された原子ストレージ技術は、原子の中にデータを格納していた訳ではなく、読み取り可能な形に原子を配置する技術だった(もちろん今でも凄い技術であることには変わりない)。

このことは個別の原子を、0または1として扱うことが次の主要な段階であることを意味する。これによって、遥かに大きな容量増加が達成され、技術者と物理学者への新たな挑戦課題が提示されることになる。本日(米国時間3月8日) Nature に発表されたIBMの実験は、真の原子ストレージを理論世界から現実世界へと連れ出した。

動作原理は以下のようなものだ:1つのホルミウム原子(多くの不対電子を持つ大きな原子だ)が酸化マグネシウムの台の上に置かれている。この構成では、原子は磁気双安定性と呼ばれる性質を持つ。異なるスピンを持つ2つの安定した磁気状態を持つ(と、とりあえずここでは理解して欲しい)。

この研究では走査型トンネル顕微鏡(scanning tunneling microscope=STM。これもまたIBMによって1980年代に発明された)を用いて、150ミリボルトの電圧と10マイクロアンベアの電流を原子に適用する。この大きな電子の流入によって、ホルミウムのスピン状態が切り替わる。2つの状態は異なる導電率プロファイルを有するため、STMチップは、原子がどちらの状態であるのかを、低い電圧(約75ミリボルト)をかけてその抵抗値を測定することで判定することができる。

原子の磁気状態が確かに変化していて、それが単なる干渉またはSTMの電気嵐からの影響ではないことを確認するために、研究者たちはその側に鉄原子を配置した。近隣の磁気の影響を受けるこの原子は、ホルミウム原子とは独立の状態にあることが検出された。このことは、この実験が単一の原子内に、間接的に検出することができる、永続的に保存された磁気状態を生み出したことを証明している。

ということで、私たちは0または1に相当するものを保存するために用いることのできる原子を手にしたのだ。実験者たちはそれを2つ作成し、それぞれを独立に動作させて4つのバイナリの組み合わせ状態(00,01,10,11)を生み出した。記事の要約はこのようにまとめられている:

独立した読み書きを実証するために、われわれは原子サイズの2つのホルミウムビットを作成し、そこに4つの可能な状態を書き込み、磁気抵抗として、また電子スピン共鳴を使って遠隔から、その状態を読み出した。電気読み出しと書き込みと合わせられた、高い磁気的安定性は、単一原子による磁気メモリが実際に可能であることを示している。

私はアルマデンにあるIBMの研究施設の、ナノサイエンス研究者であるChris Lutzと、論文の著者の1人に、どういうきっかけで原子が最終的にスピンを失うのかを尋ねた。

「知る限り、私たちの実験時間よりも長持ちしています。少なくとも数時間ですね」と彼は電子メールで返信した。「原子が加熱されるに従って、私たちはそれらが勝手に反転を始めると考えています。熱エネルギーが、状態間のエネルギー障壁の多くの部分を占めるためです。実用的なメモリーへ利用するためには、複数の原子を結合させたり、個々の原子のさらに革新的な利用法を探求して、この障壁を高める必要があります」。

彼らがアイデアの実用化のために単一原子ではなく、分子を考えていることが、幾分あなたの熱狂を醒めさせてしまうとしても、心配は無用だ。2016年の実験では、わずか直径5ナノメートルの磁性粒子を使い1平方インチ換算で1テラ(兆)ビットを超える情報が保持された。

ホルミウム原子の直径は約200ピコメートルだ、その磁性粒子上に端から端に25個並べることができる。まあもし原子に「端」があると言えるなら、だが。もちろん、これはそのようなものよりも遥かに複雑だ。しかし何でも格納できる極小のものがある、という事実は変わらない。これら2つを貼り合わせても事態は大きく変わらない。

「私たちは、他の要素の原子、原子のクラスター、そして小さな分子を磁気ビットの候補として探求する予定です」とLutzは書いている。

こうしたものの1つが、あなたのラップトップに搭載されるにはまだまだ長い時間がかかるだろう。この装置はまだ実験室仕様であり、超低温と超精密機器を必要とする。しかし、そうだとしても興奮しないわけにはいかないだろう。しかし、この底の下に更に掘り下げる余地は残されているのだろうか?

(日本版:ホルミウム原子を使った情報保持の先駆的実験は、東大の宮町俊生によっても、2013年に報告されている。「原子1個に情報は記録できるか? ―従来の原子磁石の約10億倍の情報保持時間を観測―」 【PDF】なおこの時の保持時間は10分ほどであり、報告は Nature オンライン版にも掲載された)

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(翻訳:Sako)