大數據時代的存儲極限，每一個原子都代表一個字節│突破

未來，研究人員將著重提高超晶格的熱穩定性，方案之一是在絕緣基板上生長石墨烯。

【編者按】本文轉載自DeepTech深科技；編輯：梁博深

科學家們在石墨烯基底上合成了密度高達每平方英寸115兆的單原子磁體超晶格，預示著這種配置將可能發展為下一代高密度存儲介質。

洛桑聯邦理工學院（EPFL）的物理學家Stefano Rusponi告訴記者：“單原子磁體代表了目前高密度存儲的理論上限，即每一個原子都代表一個字節。目前，研究人員主要集中在如何優化襯底上隨機分布的單個原子和小簇族的磁性。我們的最新研究實現了具有高磁穩定性的單原子超晶格陣列，這是單原子存儲介質的首個原型。”

（左）石墨烯/銥基底上的鏑單原子超晶格陣列。 （右）超晶格表現出很大的磁滯現象，說明其具有高磁穩定性。

正如研究人員所解釋的那樣，使用原子磁陣列作為數據存儲設備的關鍵挑戰，首先在于要確保磁性的穩定，其次要盡可能避免磁體間的相互作用，因為這會導致數據的丟失。

為了應對這一挑戰，洛桑聯邦理工學院的HaraldBrune教授領導的研究團隊利用鏑原子的良好磁性，首次在石墨烯 - 銥基底上合成了上面提到的磁原子陣列。

該陣列的高磁穩定性部分來源于石墨烯和銥之間的晶格失配而產生周期性莫爾條紋。這種周期性的等距排列提供了鏑原子的最佳吸附點。

鏑原子在零下230°C左右沉積在襯底上時，它們的表面擴散機制被激活，使得鏑原子可以在襯底上來回移動。這種運動允許它們到達由莫爾條紋確定的最有利吸附點，從而形成高度有序的陣列。原子之間的平均距離僅為2.5納米。

形成陣列后，原子的磁穩定性可能被幾種機制所影響，諸如表面的電子和聲子散射，以及磁量子隧穿效應。

幸運的是，石墨烯具有非常低的表面電子和聲子密度，有效保護鏑原子不受散射干擾。此外，鏑原子具有穩定的磁基態，一定程度上可以抵抗磁量子隧穿的影響。以上兩點都解釋了為什么超晶格具有高磁穩定性。

測量結果顯示，這種超晶格具有非常大的磁滯曲線（磁體強度的表征之一），性能超過了目前最好的鏑單離子分子磁體。研究人員解釋，這種高磁穩定性來源于原子和石墨烯-銥基底結合之后產生的特殊性質，缺少任何一項都會極大地降低了整個系統的磁穩定性。

不過，當前該設計的缺點之一在于，系統的磁穩定性會隨著溫度的升高而降低。未來，研究人員將著重提高超晶格的熱穩定性，方案之一是在絕緣基板上生長石墨烯。

Rusponi說：“鏑原子的磁穩定性僅限于10 K（-263℃）以下，并對雜質極其敏感，因此我們不得不在超真空環境下完成實驗。未來，我們將進一步提高單原子磁體超晶格的性能：首先，我們計劃通過尋找單原子和襯底的最佳組合方式來提高磁穩定性的臨界溫度；其次，我們將使用覆蓋層來保護超晶格結構，使磁原子性質更加穩定。”

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