Стэнфордские исследователи вернули себе право похвастаться тем, что создали самую маленькую в мире письменность, награду, которую университет впервые получил в 1985 году и потерял в 1990 году.
Насколько мелко написано? Буквы в словах собраны из битов субатомного размера размером всего 0,3 нанометра, или примерно одной трети миллиардной доли метра.
Исследователи закодировали буквы «S» и «U» (как в Стэнфордском университете) в интерференционных картинах, образованных квантовыми электронными волнами на поверхности полоски меди. Волновые узоры даже проецируют крошечную голограмму данных, которую можно рассмотреть с помощью мощного микроскопа.
«Мы настолько сильно уменьшили их размер, что в итоге получили самую маленькую надпись в истории», - сказал Хари Манохаран, доцент кафедры физики, руководивший работой аспиранта-физика Криса Муна и других исследователей.
Стремление к маленькому письму играло роль в развитии нанотехнологий в течение 50 лет, начиная за десятилетия до того, как слово «нано» стало нарицательным. Во время ставшего уже легендарным выступления в 1959 году выдающийся физик Ричард Фейнман утверждал, что не существует физических барьеров, препятствующих резкому уменьшению машин и схем. Он назвал свое выступление «На дне полно места».
Фейнман предложил приз в 1000 долларов тому, кто найдет способ переписать страницу из обычной книги текстом в 25 000 раз меньше обычного размера (масштаб, при котором все содержание Британской энциклопедии поместится на головке булавки). Он хранил свои деньги до 1985 года, когда отправил чек аспиранту Стэнфорда Тому Ньюману, который, работая с профессором электротехники Фабианом Пизом, использовал электронно-лучевую литографию, чтобы выгравировать начальную страницу Диккенсовской повести о двух городах в таком маленьком размере. печать, которую можно было прочитать только с помощью электронного микроскопа.
Этот рекорд продержался до 1990 года, когда исследователи одной компьютерной компании классно расшифровали буквы IBM, расположив 35 отдельных атомов ксенона.
Теперь в статье, опубликованной онлайн в журнале Nature Nanotechnology, исследователи из Стэнфорда описывают, как они создали буквы в 40 раз меньше, чем первоначальная работа, получившая приз, и более чем в четыре раза меньше, чем инициалы IBM.
Работая в вибростойкой подвальной лаборатории в Физическом корпусе Вариана, Манохаран и Мун начали свой письменный проект со сканирующего туннельного микроскопа, устройства, которое не только видит объекты в очень мелком масштабе, но также может использоваться для двигаться вокруг отдельных атомов. Команда из Стэнфорда использовала его, чтобы на медной пластине размером с ноготь расположить отдельные молекулы монооксида углерода в нужном порядке.
На двумерной поверхности меди мелькают электроны, ведя себя как частицы и волны, отскакивая от молекул монооксида углерода, как рябь в мелком пруду может взаимодействовать с камнями, помещенными в воду.
Вечно движущиеся волны взаимодействуют с молекулами и друг с другом, образуя постоянные «интерференционные картины», которые меняются в зависимости от расположения молекул.
Изменяя расположение молекул, исследователи могут создавать различные формы сигналов, эффективно кодируя информацию для последующего поиска. Чтобы кодировать и считывать данные с беспрецедентной плотностью, ученые разработали новую технологию - электронную квантовую голографию.
В традиционной голограмме лазерный луч освещает двумерное изображение, и появляется призрачный трехмерный объект. В новой голографии двумерные «молекулярные голограммы» освещаются не лазерным светом, а электронами, которые уже в большом количестве находятся в меди. Полученный «электронный объект» можно прочитать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
В одной голограмме может храниться несколько изображений, каждое из которых создано на разной длине волны электрона. Исследователи читали их по отдельности, как стопку страниц книги. Этот опыт, по словам Мун, примерно аналогичен оптической голограмме, которая показывает один объект при освещении красным светом и другой объект при зеленом свете.
Для Манохарана истинное значение работы заключается в хранении большего количества информации в меньшем объеме. «Насколько плотно вы можете закодировать информацию на компьютерном чипе? Предполагалось, что в основном окончательный предел - это когда один атом представляет один бит, и тогда места больше нет - другими словами, что невозможно масштабировать ниже уровня атомы.
"Но в этом эксперименте мы сохранили около 35 битов на электрон для кодирования каждой буквы. И мы пишем буквы настолько маленькими, что биты, из которых они состоят, имеют субатомный размер. Так что один бит на атом больше не нужен. предел плотности информации. Ниже этого грандиозного нового горизонта, в субатомном режиме. Действительно, на дне даже больше места, чем мы могли себе представить."
Исследование проводилось при поддержке Министерства энергетики через Национальную ускорительную лабораторию SLAC и Стэнфордский институт материаловедения и энергетики (SIMES), Управление военно-морских исследований, Национальный научный фонд и Стэнфордский центр исследований IBM. Наношкала.
Видео из Стэнфорда.