Científicos descubren un nuevo mecanismo para el almacenamiento de información en un átomo

Científicos de la Universidad de Radboud han descubierto un nuevo mecanismo para el almacenamiento magnético de la información en la unidad más pequeña de la materia: un solo átomo.

En el articulo original se dice que “la computación actual no se está volviendo mucho más rápida y está usando mucha potencia, combinada con las crecientes demandas para almacenar información” algo que no es del todo correcto pues la realidad nos muestra otras evidencias.

En 2015 la empresa canadiense D-Wave Systems, vendió su primer ordenador basado en la física cuántica por 15 millones de dólares. En 2017 presento su nuevo ordenador cuántico, el D-Wave 2000Q, que tiene 2.000 qubits para procesar información. La anterior versión de su máquina, la D-Wave 2X, funcionaba a 1.000 qubits (las unidades información cuántica que maneja) y era capaz de realizar operaciones cien millones de veces más rápido que los ordenadores habituales, la nueva versión es mil veces más rápido que D-Wave 2X.

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IBM presento en 2017 un prototipo funcional de 50 qubits con 90 microsegundos de coherencia. Cuando se emplea el termino coherencia en un ordenador cuántico se esta haciendo referencia al tiempo de permanencia de un estado cuántico ya que estos estados tienden a existir durante un corto período de tiempo, un breve intervalo antes de que los qubits vuelvan a un estado informático clásico de unos y ceros. Para darnos una idea de esto, los primeros ordenadores cuánticos de finales de los 90 tenían una coherencia de apenas unos cuantos nanosegundos. En 2016 IBM logró alcanzar 47 y 50 microsegundos para máquinas de 5 qubits.

Pero que es la computación cuántica?

Es un paradigma de la computación distinto al de la computación clásica, este se basa en el uso de Qubits en lugar de Bits dando lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Esta tecnología utiliza el modelo de los estados del átomo para realizar sus procesos en vez del lenguaje binario, esto tiene una gran ventaja, la “superposición del átomo“, consistente en que un átomo puede adoptar un estado de 0 o 1 pero también puede adoptar los dos estados al mismo tiempo. Gracias a ello son capaces de probar a la vez todas las soluciones que existen para un problema.

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La potencia de los ordenadores cuánticos se mide en unidades de procesamiento que no son mas que los átomos individuales, por lo que a mayor cantidad de bits cuánticos (qubits) mas rápidos funcionan. Pero además de poder adoptar varios estados al mismo tiempo, cuentan con otra particularidad, el “entrelazamiento atómico” gracias a esto un átomo puede transmitir a otro determinadas propiedades sin que haya nada de por medio permitiéndonos crear una red de átomos que funcionan de forma armónica, y dado que un qubits es capaz de procesar mucha mas información que un bits la potencia de procesado se incrementa exponencialmente, de tal forma que los científicos pueden realizar simulaciones mucho mas complejas, por ejemplo, patrones climáticos o simulaciones moleculares en segundos.

Tras esta información previa con respecto al estado de la computación actualmente volvamos a la noticia de los científicos de la Universidad de Radboud.

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Brian Kiraly explica que las computadoras modernas consumen mucha electricidad, actualmente demandan más del 5 por ciento de la electricidad del mundo. La ciencia fundamental dice que podemos ganar mucho más en eficiencia energética. Nos estamos enfocando en un componente muy básico de las computadoras modernas: un poco de memoria. Hemos decidido utilizar los átomos, porque son la unidad más pequeña de materia y también nos permiten comprender mejor la ciencia fundamental detrás de su comportamiento. Nuestra pregunta actual: ¿cómo podemos almacenar información dentro de un solo átomo y qué tan estable podemos hacer esa información? “,

Los átomos necesitan dejar de girar  para almacenar información.

Cuando llegas al nivel de un solo átomo, los átomos que son magnéticos ya no permanecen estables. “Lo que define a un imán permanente es que tiene un polo norte y un polo sur, que permanece en la misma orientación”, explica el profesor de microscopía, exploración microscópica Alexander Khajetoorians “pero cuando desciendes a un solo átomo, el polo norte y sur, los átomos comienzan a girar y no saben qué dirección deben apuntar, ya que se vuelven extremadamente sensibles a su entorno. Si quieres que un átomo magnético contenga información, no puede voltearse. Durante los últimos diez años, los investigadores han estado preguntándose: para que el átomo deje de girar, ¿cuántos átomos se necesitan para estabilizar el imán y durante cuánto tiempo puede retener la información antes de que se mueva de nuevo? En los últimos dos años, los científicos en Lausana y en el IBM Almaden han descubierto cómo evitar que el átomo se mueva, lo que demuestra que un solo átomo puede ser una memoria. Para hacer esto, los investigadores tuvieron que usar temperaturas muy bajas, 40 Kelvin o -233 grados Celsius. Esta tecnología ha estado limitada a temperaturas extremadamente bajas “.

Un átomo de cobalto en superficie diferente.

Los científicos de la Universidad de Radboud tomaron un enfoque diferente. Al elegir un sustrato especial, el fósforo negro semiconductor, descubrieron una nueva forma de almacenar información dentro de los átomos de cobalto individuales, que evita los problemas convencionales con la inestabilidad. Usando un microscopio de exploración de túneles, donde una punta de metal afilada se mueve a través de su superficie a unos pocos átomos de distancia, pudiendo “ver” átomos de cobalto en la superficie del fósforo negro. Debido a la resolución extremadamente alta y las propiedades especiales del material, mostraron directamente que los átomos individuales de cobalto podrían manipularse en uno de los dos estados de bit.

Mayor estabilidad que los imanes pasados

Los electrones en un átomo orbitan alrededor del núcleo, pero también se “giran” a sí mismos, al igual que la Tierra gira alrededor del Sol y su propio eje. La cantidad total que gira, o su momento angular, es lo que nos da el magnetismo. “En lugar de este momento angular de giro, que los investigadores anteriores han utilizado, descubrimos una manera de hacer una diferencia de energía entre algunos de los orbitales del átomo de cobalto y ahora usamos el momento angular orbital para nuestra memoria atómica. Esto tiene una barrera de energía mucho más grande y podría ser viable para que la memoria de un solo átomo sea estable a temperatura ambiente.

Al final, sigue siendo un imán con un momento angular, pero ahora podemos controlar el átomo del estado 0 a 1, que tiene una estabilidad mucho mayor que la de otros imanes “, dice Kiraly. “Cuando realizamos el experimento por primera vez y vimos este cambio binario, no estábamos seguros de lo que estaba pasando. En una hermosa colaboración con los teóricos de la Universidad de Radboud, Misha Katsnelson y Sasha Rudenko, pudimos señalar que estábamos observando el momento orbital del átomo y habíamos creado una nueva memoria “, agrega Khajetoorians.

 

Fuentes:

https://www.ru.nl/english/news-agenda/news/vm/imm/solid-state-physics/2018/scientists-discover-new-mechanism-information/

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06337-4

https://phys.org/news/2018-09-scientists-mechanism-storage-atom.html

Información relacionada:

Un paso más cerca del almacenamiento de datos de un solo átomo.                                                                                                                                                                  April 14, 2016, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.   “Uno de estos son los imanes de un solo átomo: dispositivos de almacenamiento que consisten en átomos individuales pegados (“adsorbidos”) en una superficie, cada átomo puede almacenar un solo bit de datos que se pueden escribir y leer utilizando la mecánica cuántica. Y debido a que los átomos son lo suficientemente pequeños como para ser agrupados densamente, los dispositivos de almacenamiento de un solo átomo prometen enormes capacidades de datos”……”un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters, los físicos del Instituto de Física de EPFL han utilizado la microscopía de barrido de túnel para demostrar la estabilidad de un imán que consiste en un solo átomo de holmio, un elemento con el que han estado trabajando durante años…..”La investigación en la miniaturización de bits magnéticos se ha centrado en gran medida en la biestabilidad magnética”, dice Natterer. “Hemos demostrado que los bits más pequeños pueden ser extremadamente estables, pero a continuación necesitamos aprender cómo escribir información en esos bits de manera más efectiva para superar el ‘trilema’ magnético de la grabación magnética: estabilidad, capacidad de escritura y señal a ruido. proporción.”

https://phys.org/news/2018-07-closer-single-atom-storage.html

Los investigadores encuentran una manera de estabilizar el momento magnético de un solo átomo de holmio.  November 14, 2013 by Bob Yirka, Phys.org

Para que el sistema se mantuviera estable por más tiempo, el equipo en Alemania ideó una forma simétrica específica para organizar los átomos a medida que se colocaban en el sustrato, lo que hacía que los átomos de holmio fueran invisibles a los electrones perdidos. Eso redujo la desestabilización lo suficiente para permitir que el estado de giro se mantuviera estable durante aproximadamente 10 minutos, tiempo más que suficiente para realizar las tareas de procesamiento.

https://phys.org/news/2013-11-stabilize-magnetic-moment-holmium-atom.html

Estabilizando el momento magnético de los átomos de holmio individuales por simetría.
https://www.nature.com/articles/nature12759

FORBIDDEN TRANSITIONS  IN HO ON PT(111)
For a single Ho atomon a Pt(111) surface,the adsorption site’s symmetry is given by
C3v. To describe the effect ot he crystal field on the lowest multiplet, which is spanned by
the eigenstates of J2 and Jz with fixez J=8, |J,M〉≡|M, Stevens’ method of operator

equivalents can be used.The crystal field Hamiltonian has the following form in this case

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