Aralarında IBM şirketinden araştırmacılar ile İsviçre’deki École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)’den araştırmacıların olduğu uluslararası bir araştırma grubu dünyanın en küçük mıknatısını ürettiler ve tek bir atomdan oluşan mıknatısın tek bir veri bitinin depolanmasında kullanılabileceğinin mümkün olduğunu gösterdiler. Bu son araştırma öncesinde, şimdiye kadar ki en küçük veri depolama birimi moleküllerdi. 1993 yılında tek bir molekülün bir mıknatıs gibi davranabildiği ve bilgi depolayabildiğinin gösterilmesiyle veri depolamada depolama alanının küçültülmesine ilişkin çok sayıda araştırmanın önü açılmış olmuştu. Moleküllerden atomlara kadar veri depolama ölçeğinin küçülmesinin sağladığı en önemli şey elbette ki, önceden çok büyük alanlarda depoladığımız veriyi, bilgiyi çok daha küçük alanlara depolama imkanı vermesidir. Atom başına bir bit düştüğüne göre, bu durumda 35 milyon şarkıdan oluşan tüm iTunes şarkı kütüphanesini bir kredi kartından çok da büyük olmayan bir aygıt üzerine depolamak mümkün olabilecek.
IBM Almaden’den araştırma grubu geçen yıl Science dergisinde yayınladıkları bir çalışma ile bir taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ucu üzerindeki tek bir demir atomundan oluşan bir elektron-spin rezonans (ESR) sensörü geliştirmişlerdi. Taramalı tünelleme mikroskopları aslında ultra-keskin probe ile taranan yüzey arasındaki elektronların tünellemesinin algılanmasında kullanılıyordu. Ancak bu mikroskopların demir atomu ile birleştirildiklerinde, herhangi bir başka yönteme göre daha yüksek duyarlılıkla ve daha doğrudan bir atomun manyetik alanını ölçebildikleri belirlendi. Bu teknik manyetik alanını ölçmek istediğimiz atomun yakınına sensör görevini gören bir atomun yerleştirilmesini içeriyordu.
Bu çalışmada, STM ve ESR teknolojisinin birlikte kullanılmasıyla magnezyum oksit (MgO) alttaş üzerine dizilmiş demir atomlarının manyetik alanlarını algılamayı başardılar. Bu yıl ise, MgO alttaş üzerinde dizilmiş holmiyum atomlarının manyetik alanlarını algılamak için bu atomların arasında sensör atomu olarak demir atomunu kullandılar. Önceki çalışmadan farklı olarak, MgO alttaş üzerine dizilen atomların holmiyum olarak seçilmesinin nedeni bu holmiyum atomu manyetizma seviyesi yüksek olduğu bilinen nadir bulunan dünya metallerinden biri olmasından kaynaklandı. Demir atom sensörünün geliştirilmesinden önce, bir atomun manyetik alanını bozmadan sadece STM kullanılarak bir atomun manyetik kutbunu hem okumanın hem de manipüle etmenin bir yolu yok gibi görünüyordu. Peki neden bir atomun manyetizmasını incelemeye ihtiyacımız var? Demir atomu ile holmiyum atomlarının manyetik kuzey veya güney kutbunu okuyabilmek, holmiyum atomunun dijital mantıkta kullanılan “sıfır” ve “bir”leri depolamak için kullanılabilir olduğunu gösterir. Teoride, araştırmacılar bir ESR sensörü olarak çalışan bir demir atomuna sahip bir STM kombinasyonu ile tek bir atom üzerine veri depolamak için bir okuma-yazma yöntemi geliştirebilirlerdi.
Tek Atom Veri Depolama: Tek Atom Mıknatıslarda Veri Okuma ve Yazma
Şimdi tek bir atomun dünyanın en küçük mıknatısı olarak veri depolayabilmesinin mümkün olduğunu gösteren ve Nature dergisinde 8 Mart 2017’de yayınlanan çalışmaya gelelim. Veri depolamada veri depolama alanını küçültmede görünen o ki en son ulaşılan sınır tek atom manyetik bitlerin kullanılmasına dayandı. Bunun için kolayca depolanan bilgiyi kaybetmemesinden dolayı holmiyum atomları üzerinde çalışıldı. Dr. Fabian Natterer ve çalışma arkadaşları bir STM kullanarak tek holmiyum atomlarının manyetizmasını okumayı ve yazmayı başardılar. Birkaç saat boyunca her bir atomun manyetik durumlarını veya “yazılan bilgiyi” koruyabildiği bu çalışma ile gösterildi. Araştırmacılar iki-bitli bellek yapmak için bu atomları kullandılar. Daha sonra yakında olan manyetik demir atomlarını sensör olarak kullanarak manyetik durumların korunduğunu onayladılar. Aslında bu okuma işlemiydi. Böylece tek atom manyetik belleğin mümkün olabildiği ortaya konmuş oldu.
Bu çalışmada, araştırmacılar holmiyum atomunun bir nanometre kadar yakınına demir atomunu yerleştirebileceklerini buldular. Yani, bu şekilde, demir atomu holmiyum atomunun manyetik kuzey ve güney kutuplarını okuyabilir. Her bir kutup dijital mantıktaki 0 ve 1’e karşılık geliyor, örneğin manyetik kuzey kutbunu okuduğunda 1 ve güney kutbu okuduğunda 0 gibi, ya da tam tersi. Üstelik bunu yaparken holmiyum atomunun manyetik durumunu kuzeyden güneye döndüren elektrik akımına neden olan sensör atomu olmadan yapılmış oluyor. Çünkü demir ve holmiyum atomları çok yakın bir şekilde aralıklı dizilebilirler, bu mühendislere bugünkü hard disk ve katı hal hafıza çiplerinden bin kat yoğun manyetik depolama oluşturma imkanı verdi.
IBM tarafından geliştirilen ilk STM’den bu yana olan tarihsel sürecin de paylaşıldığı aşağıdaki videoda, tek atomlar için okuma-yazma veri depolama sistemin STM’in yardımıyla nasıl geliştirildi hakkında bilgi veriliyor.
Bu çalışmada verilen tek atom düzenlemesi yani okuma-yazma bellek depolama sistemi, magnezyum oksit alttaşı üzerine atomların yerleştirilmesiyle başlıyor. Bu alttaş ise altında yer alan metal elektrotlar ile üstündeki manyetik atomlar arasında bir yalıtkan malzemesi görevini görüyor. Holmiyum atomları da bu magnezyum oksit katmanın yüzeyine bağlı durumdadır. Holmiyum atomlarının kullanılmasında mıknatısların varlığı dahil çok sayıda koşul altında bu atomlar uzun süre boyunca polarizasyonlarını koruyorlar. Bu da bu atomları veri depolama ortamı için ideal yapıyor.
STM ucu holmiyum atomuna akım gönderdiğinde, bu akım atomun manyetik kuzey ve güney kutuplarını çevirmektedir. Dolayısıyla manyetik durumu 1’den 0’a veya tam tersi olacak şekilde değişmektedir. Bu adım hard disk sürücüsündeki “yazma” sürecine karşılık gelmektedir.
Okuma süreci ise holmiyum atomunun manyetik durumunu tespit etmek için demir atomunu içerir. Bu “precess” olarak bilinen bir olgunun kullanılmasıyla başarılır. Çiftlenmemiş elektron spinlerine sahip atomlar bir manyetik alana koyulduklarında, onlar hassas bir frekansta manyetik alan etrafında dönerler. Bu frekans alanın şiddetine ve atomun manyetizma şiddeti olan atomun manyetik momentine bağlıdır.
Araştırmacılar mikroskoba bir manyetik alan ve sonra STM’in tünel eklem yerine bir yüksek-frekans voltajı uyguladılar. Voltajın frekansı spin devinim frekansıyla uyuştuğunda, spin kendi termal dengesinden uzaklaşır. STM ucu üzerindeki demir atomu yani sensör yönelimdeki bu değişimi tespit edebilir çünkü frekans rezonans frekansı boyunca taranmış olur ve rezonans frekansında tam olarak görünen tünel akımında keskin bir değişim bu yönelimdeki değişime karşılık gelir.
IBM Almaden’de çalışan bilim insanı Dr. Chris Lutz bu teknolojinin yakın bir zamanda günümüz bilgisayar hard disk sürücülerinin yerini almasını beklememiz gerektiğini söylüyor. Bu çalışmayı gerçekleştirmek amacıyla atomların hareketini sınırlandırmak için STM’ler 4 Kelvin sıcaklığında tutuldular. Dolayısıyla böyle bir teknolojiyi sizin cebinizin içine sokacak bir teknolojiye dönüştürmek şimdilik pek mümkün görünmüyor. Ancak bu tür manyetik atomları elektron yapıları yüzünden STM ile incelemek çok zor iken şimdi tek bir demir atomundan oluşan yeni ESR sensörün keşfiyle işler biraz daha kolaylaştı. Üstüne üstlük bu keşif sadece bilgisayar belleği ile sınırlı kalmayabilir, bu alandan çok daha öte konularda yeni çok sayıda bilimsel atılımlar gerçekleşebilir.
Bu çalışmanın bir benzeri 6 Mart’ta Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı ve burada anlatılan aynı teknik MgO alttaş üzerindeki kobalt atomlarına uygulandı ve bu atomların konumuna bağlı olarak manyetik alandaki değişimleri algılandı. Bu bir bakıma bize “NanoGPS” oluşturma imkanı veriyor çünkü diğer mikroskop tekniklerine göre 1000 kat daha yüksek çözünürlükte görüntüleme sağlıyor. Yukarıda verdiğim bağlantı adresinden makaleyi inceleyebilirsiniz.
En küçük mıknatıs ve veri depolama aygıtı olarak atomların “işe yarayabileceği”nin gösterilmesi bu alanda çok önemli bir atılım oldu. Eğer uygulamada bu teknik yaygınlaşabilirse gündelik yaşantımızda önemli ölçüde değişiklikler yaşayabiliriz.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
Dexter Johnson, Single Atom Serves as World’s Smallest Magnet and Data Storage Device, IEEE Spectrum, 8 Mart 2017
Fabian D. Natterer et al., Reading and writing single-atom magnets, Nature, Vol. 543, 7644 pp. 226-228, 2017.
IBM News Room
F. Donati et al. Magnetic remanence in single atoms. Science 352, pp. 318–321 (2016).
Roberta Sessoli, Nanoscience: Single-atom data storage, Nature News 543, 189–190, (2017).
https://www.nanotechnologyworld.org/single-post/2017/03/10/Storing-data-in-single-atom-magnets
