规模化原子储存将邮票大小硬盘容量扩至60TB

编者按：

信息时代的每一天，皆会产生10亿多GB（gigabyte）的新数据，但数据存储系统的容量一直就是一个十分让人头疼的问题。

比如，随着照相机像素越来越高，一张照片的容量从原先的约1MB（megabyte）变成了约5-10MbB，甚至更多。

无损音频和高清视频也让各类发烧友的硬盘越来越捉紧——一首母带录音级别的歌曲大约会有600MB，而一部蓝光原轨电影更是可以超过60GB。

家用尚且如此，更不用说每天都会产生海量信息和数据的巨型公司和政府机关了。

如今，爆炸式增长的数据日益凸显了高密度的数据存储技术的重要性。

一群来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）科维理纳米研究所（Kavli Institute ofNanoscience ）的科学家们将这一目标几乎完成至极致。

他们利用氯原子的位置记录下每一个数据比特（bit），成功地储存下1KB（kilobyte）的数据。

理论上，该技术能够在邮票大小（1英寸见方）的面积上储存下60TB（terabyte）的数据，而目前的常见硬盘是1-2TB的。这一存储密度要比市面上能买到的硬盘高上500倍。

相关的论文于7月18日正式发表在《自然》杂志的《纳米技术》子刊上。

1959年，伟大的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在其著名演讲《There's Plenty of Room at the Bottom（底层依旧很大的空间）》上提出，精确地操纵每一个单原子并非梦想，且一旦成功，即可借助原子来储存信息和数据。

为了向这位伟大的科学家表达致敬，该研究小组将费曼此次演讲中的一节，存入了一块迄今为止尺寸最小的硬盘中（96纳米x126纳米）。

研究神器：扫描隧道显微镜（ScanningTunneling Microscope，简称STM）是人类史上第一次实现了单原子操作的仪器，其厉害之处在于一根非常“尖”的探针，探针的头上只有一个金属原子。研究小组借助它操纵着一个一个的氯原子，完成了这块硬盘所有的数据写入和擦除。上图是放大了1000倍（大图）和放大了100000倍的STM探针。图片来源：www.rsc.org

这块最小硬盘的每个字节都是依靠单个氯原子的位置来记录的。硬盘的基板是铜，表面覆盖了一层氯原子（单原子层）。

因此，如果某一个氯原子缺失，就会形成一个“空穴”（vacancy），而这些空穴的位置就成了这块硬盘存储数据的基本单元。

氯原子空穴示意图：蓝色表示氯原子，金色的表示铜原子。根据离散傅里叶变换（DFT）的计算结果，每个空穴附近的氯原子都会偏离其初始位置（见虚线），向空穴中心产生轻微扩散。（图片来源：F. E. Kalff，et al，Nature Nanotechnology2016）

氯原子缺失而形成的空穴如上图所示，现在要做的就是使用STM，通过移动氯原子的方法，将空穴“送”到我们想要的位置，从而实现了数据的写入。

空穴移动示意图，STM探针接近，用隧穿电流引导氯原子的移动。图片来源：DT君

上面这张图演示了空穴移动的操作，STM探针接近并通过隧穿电流，从而引导氯原子向右移动，这样造成的效果就是空穴移到了左边。

在能够随意摆放空穴之后，接着就是将这些空穴的位置转化成二进制编码，这与其他存储设备的原理没有任何分别。

原子硬盘编码示意图，由于两个空穴不能相邻，因此空穴在中间时，就表示1，不再中间，则为0，图中八个比特组成了一个字节，按照国际通用的二进制ASCII码，这个字节代表的是字母“e”。图片来源：F. E. Kalff，et al，Nature Nanotechnology2016

上图中展示了，空穴的位置是如何转化为二进制编码，并建立一个字节的数据。而二进制是计算机系统的基石，通过无数的0和1堆砌成了我们现在的数字世界。

有了编码之后，就可以开始真正地写入数据了。下图是这块原子硬盘的局部图，本文最后也附上了完整图。

千字节原子硬盘局部放大图，不同空穴的排列将费曼将近六十年前的演讲储存了下来。图片来源：F. E. Kalff，et al，Nature Nanotechnology2016

听上去确实很神奇，但原子硬盘离大规模应用究竟还有多远？

首先，铜基板上单层氯原子非常稳定。根据论文里的描述，这些样品在STM的真空腔里面放了6个月以上，而没有产生任何“可发现的变化”。

其次，科学家们进行了一次44小时的放置测试，发现空穴的位置没有发生任何改变。

也就是说，在实验室环境下，原子硬盘还是相当“靠谱”的。

问题来了，实验室条件具体是什么？

空穴位置稳定性测试：左图为实验室条件下，即在77.5K温度条件下的空穴排列STM图像，右图为44小时后的稳定状态。图片来源：F. E. Kalff，et al，Nature Nanotechnology2016

首先是超真空；STM的真空腔里面的压强小到在10-10mbar之下，换言之，就是一个标准大气压的一万亿分之一。

其次，实验室里的77.5K温度相当于零下200摄氏度。虽然相比大多数超导材料（其实验室工作温度常常低达250摄氏度），这一温度并不算高。

最后的结论是，在正常的地球环境下，硬盘还无法实现正常读写。

总之，尽管这项技术将数据存储的可能性推到了极致，但在实际应用层面，目前只处于“很可期待”阶段。

又或许在外太空这样天然冰冷且高真空的环境里，其才有可能在不久后投入实际应用。

2012年，IBM也对用原子储存数据进行了尝试，当时的结果是他们用了12个原子才记录下了一个比特的数据，而数据的存储时间只有几个小时。

虽然应用上的约束依旧很多，但相较之下，最新的原子硬盘技术在各个方面都取得了巨大的进步。

附录1 原子硬盘高清全景图

这块96纳米x126纳米的硬盘总容量为1KB，当中写入了物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）著名演讲“There’s Plenty ofRoom at the Bottom”中的一段话。内存包括127个正常区块及17个受损区块，整体存储密度为0.778 bits nm-2。图片来源：F. E. Kalff，et al，Nature Nanotechnology2016

附录2 关于电子隧道显微镜

扫描隧道显微镜（通常简称为STM）发明于1981年，是目前为数不多的成像精度达到单原子级别的显微镜，它的平面分辨率一般可以达到0.1纳米，垂直分辨率更是高达0.01纳米。它的发明者是格尔德·宾宁（Gerd binnig）与海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer），当时两人都工作于瑞士苏黎世的IBM实验室，他们因为此项发明分享了1986年的诺贝尔物理奖。

STM是一种非光学显微镜，其工作原理是用一根探针（材料通常为金属钨或者铂铱合金，以确保探针的尖端部位会有一个单个原子），去接近需要表征的样品表面。由于探针与样品之间被加上了一个电压，在高真空中，样品与探针之间会出现隧道效应（tunneling effect），产生隧穿电流。这个电流大小与探针与样品表面的距离有关，基于这个关系，就可以用探针来表征样品的表面结构了。

由于STM探针的尖端只有一个原子，如果人为地加大隧穿电流，就可以进行单个原子的操纵，1990年根据《纽约时报》的报道，IBM的阿尔马登研究中心（Almaden Research Center）的科学家们用STM将35个氙原子摆放成了“IBM”的字样。这是人类历史上首次实现的单原子操作。

参考资料：

[1] F. E.Kalff, M. P. Rebergen, E. Fahrenfort, J. Girovsky, R. Toskovic, J. L. Lado, J.Fernández-Rossier and A. F. Otte，A kilobyte rewritable atomicmemory， Nature Nanotechnology 2016，DOI: 10.1038/NNANO.2016.131

[2] M. W.BROWNE，2 Researchers Spell 'I.B.M.,' Atomby Atom， New York Times 1990， http://www.nytimes.com/1990/04/05/us/2-researchers-spell-ibm-atom-by-atom.html

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