研究人员利用钻石缺陷实现数据存储突破

研究人员利用钻石缺陷实现数据存储突破纽约城市学院的物理学家们正在把钻石变成现代数据存储的宝库。发表在《自然-纳米技术》（NatureNanotechnology）上的一项研究重点介绍了理查德-G-蒙日（RichardG.Monge）和汤姆-德洛德（TomDelord）领导的研究。秘密在于钻石中所谓的"色彩中心"。它们是原子缺失的微小瑕疵，形成的斑点可以吸收光线。"这意味着我们可以在钻石的同一个地方存储许多不同的图像，方法是使用颜色略有不同的激光，将不同的信息存储到相同微观斑点中的不同原子中，"CCNY的博士后助理研究员汤姆-德洛德（TomDelord）解释说。通常情况下，光学数据存储会遇到一个叫做衍射极限的障碍--这是一种物理障碍，会阻止数据过于紧密地写入。CCNY的方法巧妙地避开了这个问题。通过调整所使用光的颜色（或波长），他们可以将不同颜色的中心靠近，从而在极小的空间内存储更多的数据。这不仅仅是一种一劳永逸的技术。写入这些钻石缺陷的数据可以反复擦除和重写。德洛德称，这项新技术使他们的团队能够在分子水平上写入和读取"精确到单个原子"的微小数据位。该团队实现了每平方英寸25GB的数据密度--想象一下在比邮票还小的空间里存储整张蓝光光盘的内容吧。加州大学洛杉矶分校团队与钻石的合作是探索用于数据存储的非传统材料的大趋势的一部分。例如，微软的"硅项目"（ProjectSilica）正在尝试将石英玻璃用于云存储解决方案。利用玻璃的耐久性来存储数据，有助于将大量数字数据保存几个世纪。这将产生巨大的影响，虽然使用钻石似乎是一件昂贵的事情，但实验室培育的钻石有可能使这项技术在商业上被接受。如果这种方法能应用于其他材料或室温条件下，它将彻底改变计算和数字存储的游戏规则。想象一下，一颗钻石不仅能在你的手指上闪闪发光，还能容纳一个藏书、照片等内容的图书馆。同样，数据存储领域的另一项突破是陶瓷纳米存储器的开发。这项技术有望颠覆价值5000亿美元的存储产业，利用先进材料以更紧凑、更耐用、更节能的方式存储数据。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403055.htm

钻石数据存储技术突破性地将写入和改写精确到单原子级别

钻石数据存储技术突破性地将写入和改写精确到单原子级别有趣的是，它的工作原理不是将数据写入钻石本身，而是写入材料中微小的氮缺陷。这些缺陷可以吸收光线，因此被称为"色彩中心"。通常，光学存储技术在写入数据的精细程度上有一个硬性限制--毕竟，激光束能聚焦到的最小直径是有限制的。这个直径被称为衍射极限，与所使用的光波长成比例。这项研究的合著者汤姆-德洛德（TomDelord）说："不能用这样的光束来写入分辨率小于衍射极限的数据，因为如果将光束的位移小于衍射极限，就会影响已经写入的数据。因此，通常情况下，光学存储器通过缩短波长（转向蓝色）来增加存储容量，这就是我们拥有'蓝光'技术的原因。"但在这项新研究中，纽约市立大学（CUNY）的研究人员找到了绕过衍射限制的方法。诀窍在于使用不同波长的光将数据写入距离比衍射极限更近的颜色中心--例如，可能无法将两个"绿色"并排放在一起，但如果交替使用绿、红、蓝三种颜色，理论上你可以在一个区域内存储比使用单一颜色多三倍的数据。德洛德说："我们所做的就是利用窄带激光和低温条件，非常精确地控制这些颜色中心的电荷。这种新方法使我们能够在比以前更精细的水平上写入和读取微小的数据位，甚至精确到单个原子。"在测试中，研究小组证明，该技术可以在同一位置以不同频率刻印12幅不同的图像，数据密度达到每平方英寸（6.4平方厘米）25GB。相比之下，标准的单层蓝光光盘整个表面的容量也就这么多。作为额外的奖励，这项技术是可逆的，因此数据基本上可以根据需要多次写入、擦除和重写。研究小组表示，通过进一步的工作，这项技术可以应用于其他材料，并有望在室温而非低温条件下实现。这项研究发表在《自然-纳米技术》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1402357.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1402357.htm

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm

研究人员利用多级磁记录技术实现磁区密度超过10Tbit/in²的超高密存储

研究人员利用多级磁记录技术实现磁区密度超过10Tbit/in²的超高密存储数据中心越来越多地将大量数据存储在硬盘驱动器（HDD）上，这些驱动器使用垂直磁记录（PMR）技术，以大约1.5Tbit/in²的磁区密度存储信息。然而，要过渡到更高的磁区密度，需要一种由铂铁晶粒组成的高各向异性磁记录介质，并结合热辅助激光写入技术。这种方法被称为热辅助磁记录（HAMR），能够维持高达10Tbit/in²的磁区记录密度。此外，与硬盘技术中使用的二进制记录层相比，通过存储3或4层的多记录层，根据新的原理，记录密度有可能超过10Tbit/in²。目前使用的HAMR系统（上）和三维磁记录系统（下）示意图。在三维磁记录系统中，每个记录层的居里温度相差约100K，通过调整激光功率将数据写入每个记录层。资料来源：高桥幸子NIMS、ThomasChang希捷科技、SimonGreaves东北大学在这项研究中，研究人员通过制造晶格匹配的FePt/Ru/FePt多层薄膜，并以Ru作为间隔层，成功地将铁铂记录层进行了三维排列。磁化测量结果表明，两个铁铂层具有不同的居里温度。这意味着，通过调整写入时的激光功率，可以实现三维记录。此外，我们还通过记录模拟，使用模仿制作介质的微观结构和磁性能的介质模型，证明了三维记录的原理。三维磁记录方法可以通过在三个维度上堆叠记录层来提高记录容量。这意味着可以用更少的硬盘存储更多的数字信息，从而为数据中心节约能源。今后团队还有计划开发缩小铁铂晶粒尺寸、改善取向和磁各向异性的工艺，并堆叠更多的铁铂层，以实现适合作为高密度硬盘实际使用的介质结构。这项研究发表于2024年3月24日的《材料学报》（ActaMaterialia）。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427310.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427310.htm

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响

研究人员成功冷却了正电子原子对反物质研究产生了重大影响正电子冷却。欧洲核子研究中心的AEgIS合作小组在实验中演示了使用基于变石的激光系统对正电子进行激光冷却。资料来源：欧洲核子研究中心-米兰理工大学研究人员成功冷却了正电子原子，对反物质研究产生了重大影响，并促成了量子电动力学的新实验和反物质玻色-爱因斯坦凝聚物的可能性。被正电子束击中的多孔靶（室温）中流出的Ps原子的等效温度从380K降至170K，相应地，Ps均方根速度的横向分量也从54km/s降至37km/s。正电子的独特性质Ps是氢的小兄弟，正电子取代了质子。因此，它比氢轻约2000倍，能级降低了2倍。它很不稳定：在真空和基态下，两个粒子的自旋平行，它的湮灭寿命只有142毫微秒。在其短暂的生命周期内，必须进行Ps冷却，这使得这一过程相对于普通原子而言极具挑战性。使用大带宽脉冲激光器的好处是可以冷却大部分正电子云，同时延长它们的有效寿命，从而在冷却后获得更多的Ps供进一步实验使用。对反物质研究的影响AEgIS实验的目的是测量反氢气的重力加速度（作为反物质弱等价原理的测试），在该实验中，最后一个加速度是通过处于激发态的Ps与被困反质子之间的反应获得的。Ps的速度越低，形成反氢的概率就越高，因此必须尽可能产生动能最低的Ps。推进基础科学和潜在应用获得足够"冷"的Ps原子对基础科学至关重要，例如，对Ps激发能级进行精密光谱分析，可以前所未有的精度测试量子电动力学，或用纯轻子系统测试等效原理。此外，建立一个冷铂原子集合体的可能性可以为第一个反物质玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，已通过激光冷却普通原子获得）铺平道路，在这种状态下，量子力学现象会宏观地显现出来。正电子玻色-爱因斯坦凝聚态将导致受激湮灭，这已被提议作为产生伽马射线能量范围内的相干电磁辐射的一种方法。该成果已作为编辑亮点发表在《物理评论快报》上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421597.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421597.htm

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。但是，为了使这些设备进入实际应用，关键是要有高效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构造石墨烯薄膜。通常，微/纳米尺度的材料加工和设备制造采用纳米光刻技术和聚焦离子束方法。然而，由于需要大规模的设备、冗长的制造时间和复杂的操作，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。早在一月份，东北大学的研究人员创造了一种技术，可以对厚度为5至50纳米的氮化硅薄片进行微/纳米制造。该方法采用了飞秒激光，它发射出极短的快速光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄型材料。(a)激光加工系统的示意图。(b)石墨烯薄膜上32个激光点的形成。(c)经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一小组现在已经成功地进行了多点钻孔而不损坏石墨烯薄膜。他们的突破性细节于2023年5月16日在《纳米通讯》杂志上报道。东北大学先进材料多学科研究所的助理教授、该论文的共同作者YuukiUesugi说："通过对输入能量和激光射击次数的适当控制，我们能够执行精确的加工并创造出直径从70纳米--远小于520纳米的激光波长--到超过1毫米的孔。"通过扫描透射电子显微镜观察到的激光加工的石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示打孔。白色物体表示表面污染物。资料来源：YuukiUesugi等人。在通过高性能电子显微镜仔细检查用低能量激光脉冲照射的区域时，上杉和他的同事发现，石墨烯上的污染物也已被清除。进一步的放大观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，在石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，这取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。箭头所指的位置存在原子缺陷。"观察到纳米孔和缺陷的密度随着激光射击的能量和数量成比例增加的趋势，使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来操纵，"Uesugi补充说。"通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制量子级特性，如自旋和谷值。此外，这项研究中发现的通过飞秒激光照射去除污染物的方法可以开发出一种非破坏性和清洁地清洗高纯度石墨烯的新方法。"展望未来，该团队旨在建立一种使用激光的清洗技术，并对如何进行原子缺陷的形成进行详细调查。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生巨大影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363301.htm