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Medición de la memoria atómica con nano precisión
Los eventos que tienen lugar dentro de los átomos ocurren a velocidades que normalmente son demasiado rápidas para capturar. Ahora los investigadores de IBM 's Centro de Investigación de Almaden han desarrollado una técnica que les permite observar esta acción atómica con una resolución sin precedentes.
Máquina de memoria: El investigador de IBM, Sebastian Loth, opera el microscopio de túnel de barrido que su equipo usó para medir cuánto tiempo un solo átomo puede almacenar información.
Los investigadores utilizaron la técnica para cambiar la orientación del giro de un átomo, una propiedad cuántica fundamental, y luego medir cuánto tiempo el átomo recordaba este estado antes de volver a su estado de giro natural. Este es un primer paso hacia el desarrollo de un tipo de memoria de computadora que funciona a escala atómica, y los científicos de materiales también podrían utilizar la técnica para realizar la investigación básica necesaria para fabricar materiales solares orgánicos más eficientes.
Influir y medir el estado de giro de un átomo es una forma de hacer un bit cuántico, o qubit, que puede servir simultáneamente como 1 y 0 en una computadora cuántica. Es posible tomar una medida estática del giro de un átomo, pero hasta ahora no ha sido posible observar cómo cambia el giro de un átomo con el tiempo.
Los investigadores dirigidos por Don Eigler y Andreas Heinrich en el laboratorio de IBM en San José, California, pudieron observar los giros atómicos girar o relajarse con el tiempo utilizando un microscopio de túnel de barrido modificado, o STM, un instrumento que los investigadores de IBM inventaron en 1981. Capturaron imágenes del estado del átomo cada cinco nanosegundos, un millón de veces más rápido que antes.
Los investigadores de IBM encontraron que un solo átomo de hierro puede almacenar información magnética en forma de espín durante aproximadamente un nanosegundo. Sin embargo, cuando el átomo de hierro está cerca de un átomo de cobre, su memoria cuántica se prolonga, de modo que el giro tarda unos 200 nanosegundos en relajarse. Los resultados fueron publicados la semana pasada en la revista Ciencias .
La información decae en 200 nanosegundos, pero eso es mucho tiempo, dice Sebastian Loth, miembro del equipo de investigación. Los procesadores actuales realizan varios cientos de ciclos de cálculos en ese tiempo.
Cuando la punta de un STM se acerca mucho a una superficie, la corriente eléctrica puede fluir entre los átomos de la superficie y su punta. Al moverse sobre una superficie, el microscopio puede generar una imagen de la misma. Y al analizar el flujo de corriente, es posible conocer el estado magnético del átomo, incluido su giro.
Para mejorar la resolución temporal del STM, los investigadores modificaron la punta para que no solo midiera la corriente eléctrica, sino que también la suministrara. Alimentaron corriente a un átomo y luego midieron su estado después de un período de tiempo fijo. Para cada uno de esos períodos de tiempo, tomaron 100.000 mediciones. Variaron el tiempo entre pulsos y mediciones, repitiendo el proceso una y otra vez. Las imágenes de cada medición se combinaron como fotogramas en un video. Al juntar estos marcos, los investigadores crearon una imagen en movimiento del estado de giro del átomo, con un marco tomado cada cinco nanosegundos aproximadamente.
Loth dice que los investigadores de IBM esperan utilizar la técnica STM rápida para dos áreas básicas de investigación. Primero, continuarán usándolo para determinar si diferentes combinaciones de átomos pueden almacenar información cuántica por más tiempo. En segundo lugar, al utilizar una corriente de fotones en lugar de una corriente de electrones como señal de pulso, dice Loth, los investigadores esperan comprender mejor cómo algunas moléculas orgánicas convierten la luz en energía eléctrica. Esto podría conducir a mejores células solares.
Los sistemas como el de IBM para voltear y medir los espines atómicos podrían ser parte de una futura computadora cuántica, dice Alán Aspuru-Guzik , profesor de química y biología química en la Universidad de Harvard. Alterar y medir el giro de los átomos, y poder predecir cómo se comportarán los átomos, es un paso importante hacia este objetivo, dice. La mayoría de los dispositivos que se han fabricado hasta ahora, dice, se parecen más a juguetes cuánticos que a computadoras. Pero el campo avanza constantemente, dice. Cada semana alguien demuestra cómo manipular el qubit un poco mejor.