大数据时代的存储极限，每一个原子都代表一个字节│突破

科学家们在石墨烯基底上合成了密度高达每平方英寸115兆的单原子磁体超晶格，预示着这种配置将可能发展为下一代高密度存储介质。

洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家Stefano Rusponi告诉记者：“单原子磁体代表了目前高密度存储的理论上限，即每一个原子都代表一个字节。目前，研究人员主要集中在如何优化衬底上随机分布的单个原子和小簇族的磁性。我们的最新研究实现了具有高磁稳定性的单原子超晶格阵列，这是单原子存储介质的首个原型。”

（左）石墨烯/铱基底上的镝单原子超晶格阵列。 （右）超晶格表现出很大的磁滞现象，说明其具有高磁稳定性。

正如研究人员所解释的那样，使用原子磁阵列作为数据存储设备的关键挑战，首先在于要确保磁性的稳定，其次要尽可能避免磁体间的相互作用，因为这会导致数据的丢失。

为了应对这一挑战，洛桑联邦理工学院的HaraldBrune教授领导的研究团队利用镝原子的良好磁性，首次在石墨烯 - 铱基底上合成了上面提到的磁原子阵列。

该阵列的高磁稳定性部分来源于石墨烯和铱之间的晶格失配而产生周期性莫尔条纹。这种周期性的等距排列提供了镝原子的最佳吸附点。

镝原子在零下230°C左右沉积在衬底上时，它们的表面扩散机制被激活，使得镝原子可以在衬底上来回移动。这种运动允许它们到达由莫尔条纹确定的最有利吸附点，从而形成高度有序的阵列。原子之间的平均距离仅为2.5纳米。

形成阵列后，原子的磁稳定性可能被几种机制所影响，诸如表面的电子和声子散射，以及磁量子隧穿效应。

幸运的是，石墨烯具有非常低的表面电子和声子密度，有效保护镝原子不受散射干扰。此外，镝原子具有稳定的磁基态，一定程度上可以抵抗磁量子隧穿的影响。以上两点都解释了为什么超晶格具有高磁稳定性。

测量结果显示，这种超晶格具有非常大的磁滞曲线（磁体强度的表征之一），性能超过了目前最好的镝单离子分子磁体。研究人员解释，这种高磁稳定性来源于原子和石墨烯-铱基底结合之后产生的特殊性质，缺少任何一项都会极大地降低了整个系统的磁稳定性。

不过，当前该设计的缺点之一在于，系统的磁稳定性会随着温度的升高而降低。未来，研究人员将着重提高超晶格的热稳定性，方案之一是在绝缘基板上生长石墨烯。

Rusponi说：“镝原子的磁稳定性仅限于10 K（-263℃）以下，并对杂质极其敏感，因此我们不得不在超真空环境下完成实验。未来，我们将进一步提高单原子磁体超晶格的性能：首先，我们计划通过寻找单原子和衬底的最佳组合方式来提高磁稳定性的临界温度；其次，我们将使用覆盖层来保护超晶格结构，使磁原子性质更加稳定。”

编辑：梁博深

参考：http://phys.org/news/2016-11-superlattice-single-atom-magnets-aims-ultimate.html

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