(PhysOrg.com)-Förra veckan publicerade IBM-forskare en genombrottsteknik i den granskade tidskriften Vetenskap som mäter hur länge en enda atom kan hålla information, och ger forskare möjligheten att spela in, studera och "visualisera" extremt snabba fenomen inuti dessa atomer.

Precis som de första filmerna förmedlade rörelse genom höghastighetsfotografering, forskare vid IBM Research - Almaden använder Scanning Tunneling Microscope som en höghastighetskamera för att registrera beteendet hos enskilda atomer med en hastighet cirka en miljon gånger snabbare än tidigare möjligt. IBM-forskare i Zürich uppfann Scanning Tunneling Microscope 1981 och belönades med Nobelpriset.

I mer än två decennier har IBM -forskare skjutit gränserna för vetenskap med hjälp av Scanning Tunneling Microscope för att förstå de grundläggande egenskaperna hos materia i atomskala, med stor potential för spelförändrande innovation inom informationslagring och beräkning.

Möjligheten att mäta nanosekund-snabba fenomen öppnar ett nytt område av experiment för forskare, eftersom de nu kan lägga tidens dimension till experiment där extremt snabba förändringar sker. För att sätta detta i perspektiv, skillnaden mellan en nanosekund och en sekund är ungefär samma jämförelse som en sekund till 30 år. En enorm mängd fysik händer under den tiden som forskare tidigare inte kunde se.

"Denna teknik som utvecklats av IBM Research Team är en mycket viktig ny förmåga för att karakterisera små strukturer och förstå vad som händer i snabba tidsskalor, sa Michael Crommie, University of California, Berkeley. "Jag är särskilt glad över möjligheten att generalisera det till andra system, som solceller, där en kombination av hög rumslig och tidsupplösning kommer att hjälpa oss att bättre förstå olika processer i nanoskala som är viktiga för solenergi, inklusive ljusabsorption och separation av laddning."

Förutom att tillåta forskare att bättre förstå fenomenen i nanoskala i solceller, detta genombrott skulle kunna användas för att studera områden som:

• Kvantberäkning. Kvantdatorer är en radikalt annorlunda datortyp - inte bunden till den traditionella datorns binära natur - med potential att utföra avancerade beräkningar som inte är möjliga idag. Med dagens genombrott, forskare kommer att ha ett kraftfullt nytt sätt att utforska genomförbarheten av en ny metod för kvantberäkning genom atomsnurr på ytor.

• Teknik för informationslagring. När tekniken närmar sig atomskalan, forskare har undersökt gränserna för magnetisk lagring. Detta genombrott gör det möjligt för forskare att "se" en atoms elektroniska och magnetiska egenskaper och undersöka huruvida information kan lagras på ett tillförlitligt sätt på en enda atom.

Hur det fungerar

Eftersom en atoms magnetiska snurr förändras för snabbt för att mätas direkt med tidigare tillgängliga tekniker för skanningstunnelmikroskop, tidsberoende beteende registreras stroboskopiskt, på ett sätt som liknar de tekniker som först användes för att skapa rörliga bilder, eller som i tidsfördröjningsfotografering idag.

Med hjälp av en "pump-sond" mätteknik, en snabb spänningspuls (pumppulsen) exciterar atomen och en efterföljande svagare spänningspuls (sondpulsen) mäter sedan orienteringen av atomens magnetism vid en viss tidpunkt efter excitationen. I huvudsak, tidsfördröjningen mellan pumpen och sonden ställer in ramtiden för varje mätning. Denna fördröjning varieras sedan steg för steg och den genomsnittliga magnetiska rörelsen registreras i små tidssteg. För varje tidssteg, forskarna upprepar växelspänningspulserna cirka 100, 000 gånger, vilket tar mindre än en sekund.

I experimentet, järnatomer avsattes på ett isolerande skikt endast en atom tjockt och uppburet på en kopparkristall. Denna yta valdes för att göra det möjligt för atomerna att sonderas elektriskt samtidigt som deras magnetism bibehölls. Järnatomerna placerades sedan med atomär precision bredvid icke-magnetiska kopparatomer för att kontrollera järnets interaktion med närliggande atomers lokala miljö.

De resulterande strukturerna mättes sedan i närvaro av olika magnetfält för att avslöja att hastigheten med vilken de ändrar sin magnetiska orientering beror känsligt på magnetfältet. Detta visade att atomerna slappnar av med hjälp av kvantmekanisk tunnelering av atomens magnetiska moment, en spännande process genom vilken atomens magnetism kan vända sin riktning utan att passera genom mellanliggande orienteringar. Denna kunskap kan göra det möjligt för forskare att konstruera den magnetiska livslängden för atomerna för att göra dem längre (för att behålla sitt magnetiska tillstånd) eller kortare (för att byta till ett nytt magnetiskt tillstånd) efter behov för att skapa framtida spintroniska enheter.

"Det här genombrottet gör att vi - för första gången - kan förstå hur länge information kan lagras i en enskild atom. Utöver detta, tekniken har stor potential eftersom den är tillämplig på många typer av fysik som händer på nanoskala, Sa Sebastian Loth, IBM Research. "IBMs fortsatta investeringar i utforskande och grundläggande vetenskap gör att vi kan utforska nanoteknologins stora potential för IT -branschens framtid."