德成功測(cè)量單個(gè)原子間磁耦合特性

近日，德國(guó)漢堡大學(xué)的科學(xué)家成功對(duì)單個(gè)原子間磁耦合特性進(jìn)行了直接測(cè)量，其結(jié)果和于利希研究中心超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果一致。原子磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和新型自旋電子器件的研發(fā)又邁出了重要一步。相關(guān)成果發(fā)表在近期的《自然·物理》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。
　　為滿足日益小型化的電子設(shè)備和持續(xù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流的需求，人們不斷尋找各種方法，努力減少最小存儲(chǔ)單元（比特）所占的空間，以生產(chǎn)出更大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。磁存儲(chǔ)技術(shù)有一個(gè)終極目標(biāo)，即用單個(gè)原子的磁性方向來存儲(chǔ)一個(gè)比特的信息。磁性原子就像小指南針，它的磁性方向指向上或向下即可顯示為1或0。由于原子所占空間很小，因此原子存儲(chǔ)將有極高的存儲(chǔ)密度，可解決幾十年來始終存在的存儲(chǔ)空間問題。
　　運(yùn)用現(xiàn)代表面物理的方法，人們已經(jīng)可以在一個(gè)非常平坦的金屬表面提升一個(gè)原子比特，來作為一個(gè)原子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的模型系統(tǒng)。而漢堡大學(xué)早先的研究也顯示，原子比特可以用掃描隧道顯微鏡的磁涂層尖端來讀取。不過，要實(shí)現(xiàn)原子存儲(chǔ)還有很多問題需要解決，例如可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的相鄰原子比特間耦合的問題。
　　當(dāng)一個(gè)傳導(dǎo)電子經(jīng)過磁原子附近時(shí)，磁原子會(huì)影響它的自旋。當(dāng)電子繼續(xù)移動(dòng)穿過固體時(shí)，它的自旋極化會(huì)影響鄰近原子的磁矩方向，并產(chǎn)生所謂的RKKY耦合。作為RKKY變換作用的媒介，傳導(dǎo)電子確定了耦合的強(qiáng)度和特性。迄今為止，人們已可以使用簡(jiǎn)化的理論模型來成功預(yù)測(cè)固體材料的耦合強(qiáng)度。根據(jù)這些模型，耦合僅與兩個(gè)磁原子的距離有關(guān)，與他們相對(duì)于晶體方向的位置無關(guān)。盡管晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響方向相關(guān)性，但實(shí)驗(yàn)至今未能提供直接的證據(jù)。
　　現(xiàn)在漢堡大學(xué)和于利希研究中心的科學(xué)家共同合作，成功對(duì)RKKY耦合的特性進(jìn)行了直接測(cè)量，并與細(xì)化的模型進(jìn)行了比較。在漢堡的實(shí)驗(yàn)中獲取的不同間距、方向的原子比特對(duì)的磁化方向，其結(jié)果和于利希研究中心超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果完全一致。它顯示了RKKY耦合與兩個(gè)原子比特方向的強(qiáng)相關(guān)性，是簡(jiǎn)單的模型所無法描述的。
　　這些發(fā)現(xiàn)對(duì)大量單個(gè)磁原子納米結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展將有重大的實(shí)用價(jià)值。通過掃描隧道顯微鏡的尖端可將磁性原子放在一起組成近乎任意的結(jié)構(gòu)。因此，通過使用RKKY耦合產(chǎn)生的地圖，人們可以利用定制的磁耦合來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)不僅會(huì)在未來的自旋電子器件方面顯示出十分有趣的特性，還很有希望作為量子計(jì)算機(jī)的模型系統(tǒng)投入使用。