可在1粒米上寫35萬字母，原子級存儲可達硬碟能力的1000倍

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加拿大阿爾伯塔大學的研究人員近日宣布，他們研發出一種利用掃描隧道纖維鏡在矽片表面移動氫原子實現的新型存儲技術，若該技術商業化，存儲能力可達 21.4TB 每平方厘米，是現有硬碟存儲能力的 1000 倍。

1986 年，基德·比林（Gerd Binnig）和海因里希·羅赫（Heinrich Rohrer）在 IBM 公司發明了世界上第一台掃描隧道顯微鏡，並被授予諾貝爾物理學獎。該顯微鏡利用了一種被稱為隧道效應的物理原理，即電子從被觀測物體表面的原子中跳出，到達在觀測材料上方不到 1 納米處的接收電極，通過處理形成圖像。掃描隧道顯微鏡是今天納米技術的基礎。

除了對物體進行極高解析度的成像，研究人員還試圖開發掃描隧道顯微鏡作為數據存儲設備的潛力。去年，IBM 研究人員用掃描隧道顯微鏡和 1 個鐵原子組成一個電子自旋共振感測器，以讀取鈥原子中的磁極狀態，北極代表 0，南極代表 1。

圖 | 團隊用掃描隧道顯微鏡且以 21.4TB 每平方厘米的數據密度刻錄了整個字母表，這相當於在一粒米的表面寫下 35 萬個字母。（圖源：Nature Communication）

加拿大研究人員採用了另外一種基於掃描隧道顯微鏡構建存儲器的方式。他們用電極對材料發射電脈衝，移除矽片表面的單個氫原子。一旦氫原子被移除，表面就會形成空穴。有規律排布的空穴就可以記錄信息。

阿爾伯塔大學學生，論文第一作者羅珊·阿奇爾（Roshan Achal）在《自然·通訊》（Nature Communication）上發表的論文中表示，該研究團隊已經將刻錄過程自動化，因此無需人工干預。

圖 | 團隊用掃描隧道顯微鏡製造出了世界上最小的楓葉圖形。左下角比例尺為 5nm。（圖源：Nature Communication）

空穴和非空穴的排布，就相當於「0」和「1」這 2 個二進位數字。

阿奇爾表示，之前儘管刻錄過程精確度非常高，但是還是有缺陷。有時，掃描隧道顯微鏡會挖除非指定位置的氫原子，一旦這種問題出現，這塊矽片就只能報廢，換矽片從頭再來。

現在，團隊已經改進了刻錄過程，因此即使移除了錯誤位置的氫原子，也無需換新矽片從頭再來。

此外，從矽片表面移除時，氫原子未必能穩固地吸附到顯微鏡探頭上，可能會重新落回矽片表面。但是團隊發現了 2 種特殊的信號模式，因此可以極大提高移除成功率，從而實現自動化。

該技術屬於廣義上的納米製造學科，但阿奇爾表示，兩者的主要區別在於精度和自動化程度——論文中提到的成果在這兩項指標上要高得多。此外，尚無其他納米製造技術可以連續從材料表面以可控方式連續移走多個氫原子。

當然，通常情況下，掃描隧道顯微鏡必須在超低溫下工作，這對於商業存儲設備顯然不太現實。但是研究人員表示，這款新的技術可以在室溫下保持足夠的穩定性。

穩定性的提高必須付出製造更加困難的代價。不過，團隊表示，他們已經克服了包括該問題在內的許多技術問題，為進一步的產業化推廣做好了準備。

此外，阿奇爾還表示，目前沒有理由認為掃描電子顯微鏡的刻錄速度不能達到實用化的水平。

阿奇爾和團隊正在研究更快的刻錄方法，比如，給掃描隧道顯微鏡配備多個探針。此外，一些材料可以允許同時操作上千個氫原子。如果這類材料得以應用，刻錄速度將大大提升。

不過，懷疑者指出，IBM 公司 Millipede 項目曾推出了一款新型數據存儲系統，該系統利用上千個微型原子力顯微鏡陣列進行刻寫，而 IBM 蘇黎世研究部門成員保羅·施耐德（Paul Seidler）在 7 年前就表示，IBM 已經放棄了這種大規模探針陣列的數據存儲方案，並認為該技術的真正用武之地是半導體製造中的光刻工藝。

顯然，如果 IBM 的說法有指導意義，那麼阿奇爾和團隊成員的多探針掃描隧道顯微鏡存儲方案距離實用化還有很長的路要走。