Memorizzare dati su un singolo atomo

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Radboud, Olanda ha trovato un nuovo modo di memorizzare dati su di un singolo atomo. Terabyte di dati memorizzati su di uno smartphone? In futuro potrebbe essere una possibilità.

L'umanità produce così tanti dati ogni singolo minuto che prima o poi arriveremo ad un bivio: rallentare la crescita delle informazioni che vengono prodotte oppure trovare il modo di aumentare in maniera considerevole la capacità di memoria dei supporti.

Recentemente i risultati di un nuovo studio sembrano essere molto promettenti, forse gli scienziati si stanno avvicinando ad un sistema di memorizzazione dei dati compatto che potrebbe rappresentare la soluzione finale al problema, memorizzare i dati su di un singolo atomo.

Gli atomi in linea generale possono essere considerati i mattoni principali di tutta la materia, sono gli oggetti più piccoli che possono essere adoperati per riuscire a memorizzare un bit (un 1 oppure uno 0) comprimendo le dimensioni degli hard disk esistenti di circa un migliaio di volte o più. Il problema, non da poco, è riuscire a capire come fare.

I ricercatori hanno già fatto progressi nella memorizzazione dei dati sugli atomi ma solo su una scala piccola e in condizioni controllate come quelle di un laboratorio, ciò significa fissare dei parametri e seguire delle impostazioni estremamente rigide. Infatti, in uno studio pubblicato nel 2016 sulla rivista Nature Nanotechnology, un altro gruppo di ricercatori (Department of Quantum Nanoscience, Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, Olanda e International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL), Spagna) era riuscito a immagazzinare 1 kilobyte di dati su un atomo.

Immagine 1 - Fotografia di un singolo atomo di stronzio scattata da David Nadlinger, vincitore del premio fotografico Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Regno Unito.

Recentemente un gruppo di ricercatori dell'università Radboud, Olanda è riuscito a identificare un nuovo meccanismo che potrebbe potenzialmente lavorare a temperatura ambiente.

Due fattori che hanno fatto la differenza

Un fattore molto importante che ha fatto la differenza è stato la scelta dei materiali, atomi di cobalto singoli su uno strato di fosforo nero semiconduttore.

Un altro fattore importante è stato il metodo usato per magnetizzare gli atomi in modo da memorizzare i bit, tale metodo differisce dall'approccio impiegato generalmente che prevede l'utilizzo del momento angolare di spin (il momento angolare di spin è il modo in cui gli elettroni orbitano attorno ai nuclei).

«Piuttosto che utilizzare il momento angolare di spin, che abbiamo utilizzato precedentemente, abbiamo trovato un modo per ottenere una differenza di energia tra alcuni orbitali degli atomi di cobalto che utilizziamo insieme al momento angolare orbitale per la nostra memoria atomica» ha dichiarato uno dei ricercatori del team, il dott. Brian Kiraly.

«Ciò incontra una barriera energetica molto più grande e potrebbe essere utilizzabile per realizzare una memoria su un singolo atomo stabile a temperatura ambiente» prosegue il ricercatore.

Immagine 2 - atomi di cobalto magnetizzati. Credits: Radboud University.

Dal laboratorio alla vita reale

Potrebbe essere necessario molto tempo prima di riuscire a portare questi risultati dal laboratorio ad un pc in commercio, i risultati dello studio sono comunque promettenti. Inoltre i nuovi materiali e il metodo utilizzato potrebbero risolvere il problema di mantenere gli atomi magnetizzati e stabili per un tempo sufficientemente lungo da essere utili.

«Ciò che definisce un magnete permanente è l'oggetto che possiede un polo nord e un polo sud e riesce a mantenere lo stesso orientamento» scrive uno dei ricercatori, Alexander Khajetoorians.

«Ma quando si arriva al singolo atomo il polo nord e il polo sud dell'atomo iniziano a capovolgersi e noi non sappiamo quale direzione assume, infatti l'atomo diventa estremamente sensibile a tutto ciò che c'è attorno».

In uno studio precedente, relativo alla memorizzazione su singolo atomo, i ricercatori avevano impiegato temperature estremamente fredde in modo da garantire la stabilità (parliamo di una temperatura pari a -233 °C). L’esperimento attuale richiede una temperatura estremamente bassa per avvenire, gli scienziati inoltre prevedono che il sistema cosí configurato risulti molto meno sensibile agli incrementi di temperatura rispetto agli altri metodi.

Come negli altri studi precedenti i ricercatori hanno utilizzato un microscopio speciale detto microscopio elettronico a scansione a effetto tunnel per scansionare gli atomi, si tratta cioè di un dispositivo che utilizza il fenomeno effetto tunnel della meccanica quantistica per spingere gli elettroni attraverso una specifica barriera energetica.

Scenari

Potrebbe essere necessario un tempo relativamente lungo prima di vedere un tipo di configurazione simile a quella utilizzata in laboratorio dai ricercatori installata su di un computer o uno smartphone, tuttavia questo studio si avvicina molto all'obiettivo che si sono prefissi i ricercatori. Quando gli scienziati riusciranno a raggiungere l'obiettivo di memorizzare dati su di un singolo atomo in maniera stabile e per un lungo periodo di tempo dovremmo essere in grado di salvare tutte le nostre foto e i nostri video sul nostro dispositivo preferito.

«Se riusciremo a realizzare un hard disk reale mettendo insieme tutti questi atomi (siamo ancora ben lontani dal riuscire nell’intento) potremmo memorizzare una mole di informazioni migliaia di volte superiore rispetto a quella che possiamo ottenere dagli odierni metodi di memorizzazione» scrive uno dei ricercatori Alexander Khajetoorians.

Lo studio "An orbitally derived single-atom magnetic memory." è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications - DOI: 10.1038/s41467-018-06337-4.