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世上最小的磁性資料儲存單元

only-perception
・2012/01/21 ・1235字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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來自 IBM 與德國 Center for Free-Electron Laser Science(CFEL,自由電子雷射科學中心)的科學家,建構出世上最小的磁性資料儲存單元。每 bit(資訊基本單位)只用到 12 個原子,並將完整的一個 byte(8 bit)壓縮到只要 96 個原子這麼少。相較之下,現代硬碟每 byte 仍需超過 5 億個原子。

這款奈米資料儲存單元是在 IBM 的 Almaden 研究中心(加州 San Jose)裡,在 STM 的幫助下一個一個原子建造而成。研究者們建構鐵原子的規律圖案,每六個原子排成一列。二列就足以儲存一 bit。一個 byte 則據此由八對原子列構成。它只用到 4 x 16 奈米的面積。”其儲存密度比現代的硬碟要高出幾百倍,” CELF 的 Sebastian Loth 表示,這篇 Science 論文的第一作者。

資料在 STM 的幫助下從奈米儲存單元寫入與讀出。成對的原子列有二種可能的磁性狀態,代表古典 bit 的 “0” 與 “1”。一道來自 STM 尖端的電脈衝從這個到那個翻轉了磁性設置(magnetic configuration)。一道較弱的脈衝則允許將設置讀出,儘管這種奈米磁鐵目前只有在攝氏負 268 度(5 Kelvin)的極寒溫度下,才會穩定。 “我們的研究遠遠超過當前的資料儲存技術,” Loth 表示。研究者們預期約需 200 個原子組成陣列,才能在室溫下維持穩定。然而在原子的磁性能被用於資料貯存前,仍需要花一段時間。

這是研究者首度為了資料儲存的目的而設法使用一種特殊形態的磁性,稱為反鐵磁性(antiferromagnetism)。不同於鐵磁性,那被用在傳統的硬碟中,在反鐵磁性材料內,鄰近原子的自旋相對排列(oppositely aligned),在很大的程度上那使材料呈現磁中性。這意味著反鐵磁性原子列可更加靠近而不會在磁性上彼此相互干涉。因此,科學家設法使每個 bit 僅間隔 1 奈米。

“在看待電子元件的縮小時,我們想知道這是否能深入到單個原子的領域,” Loth 解釋。但該團隊並非將現有元件縮小,而是選了一條相反的途徑:”從最小的東西開始 — 一個原子 — 我們一次用一個原子來建立資料儲存裝置,” IBM 研究成員 Andreas Heinrich 表示。所需要的精確度在世上只有少數幾個研究團體在行。

“我們測試過我們的單元要造多大才能達到古典物理學的領域,” Loth 解釋,他在四個月前從 IBM 搬到 CFEL。將所用元素最小化之後,十二個原子浮現了。”低於這個閾值,量子效應會使儲存的資訊模糊。” 這些量子效應是否能透過某種方式,當成一種更加稠密的資料儲存來用,目前是一個密集研究的主題。

在他們的實驗裡,這個團隊不僅建立迄今最小的磁性資料儲存單元,也為古典物理到量子物理的轉變創造出一個理想的測試平台。”我們已學會透過鐵原子列的形狀與大小來控制量子效應,” Loth 解釋,Max Planck 在 CFEL 的研究小組 — dynamics of nanoelectric systems(奈米電子系統動力學)– 的領導者,以在德國 Stuttgart,Max-Planck-Institute for Solid State Research 的領導者。”我們現在使用這種能力來研究量子力學如何起作用。量子磁性材料與古典磁性材料有何不同?磁鐵在這二個世界的邊界間如何表現?這些令人振奮的問題很快就能被回答了。”

一間為這項研究提供理想條件的新 CFEL 實驗室將使 Loth 能追擊這些問題。”在 Sebastian Loth,時間解析掃描穿隧顯微術(time-resolved scanning tunneling microscopy)領域中的世界領導性科學家,加入 CFEL之後,” CFEL 研究協調者 Ralf Kohn 強調。”完美地補足我們研究原子與分子系統動態的現有專業知識。”

資料來源:PHYSORG:The world’s smallest magnetic data storage unit[January 12, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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水的性質國中不是學完了嗎?竟然還跟「量子效應」有關?
linjunJR_96
・2021/10/03 ・2111字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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圖/Pixabay

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡,無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水,事實上,它可是宇宙中第三多的分子。

不過,時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費,是為了探索未知的星系或癌症的解藥,但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷,而是水分子雖然十分常見,但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得:「水的性質不是國中就都教過了嗎?」。不過就跟所有其他東西一樣,事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起,就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石,普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外,關於過冷(低於冰點卻不結冰)這種奇怪的現象,至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定,蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾,但對於水蒸發的速率,卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時,某些分子被撞出液態的水,因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目,但以往的許多結果卻時常出現分歧,差距高達三個數量級(也就是一千倍)!

我們經常以水作為物質三態變化的例子,但其中的細節其實還有待研究。圖/WIKIPEDIA

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題,例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發(喝水一口都比 18 克還要多),就必須同時計算 6 × 1023 個水分子的狀態,以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題,需要一些相當進階的實驗與理論方法,而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外,就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構,兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格,所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說,原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關,相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 [1]

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解,得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀,其中氧帶較多負電,氫帶較多正電,所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力,也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵,水才能夠組成上面提到的各式結構。

水分子間的氫鍵(標示 1 處)3D 模型。圖/WIKIPEDIA

不過,用來解釋氫鍵的質子與電子,都是量子力學適用的尺度,而氫原子的嬌小身材,讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為,如果將量子效應納入水分子結構理論模型,或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期,史丹佛直線加速器中心(SLAC)的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測,從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱,作為探測的樣本。在這麼細的水柱中,每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動,實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」,利用電子束散射的結果,分析水分子每個瞬間的分子結構。

圖/Pexels

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度,而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時,氫原子會先將鄰近的氧原子拉近,再拉開距離,一切都在幾皮秒(10-12 秒)內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪,研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬,他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型,為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門


以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換,而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵,在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量,也為科學家開啟更多的機會,去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水,我們還有許多不知道的事。也因為如此,網路上常常能看到「小分子團水」,「能量水」等等的健康廣告,讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行,或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料:

  1. https://pansci.asia/archives/194118
  2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
  3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
  4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water
所有討論 2
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 538 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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為什麼量子電腦這麼難懂?大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難!——專訪旺宏電子盧志遠總經理
科技大觀園_96
・2021/07/21 ・4276字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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近代知名的理論物理學家理查.費曼 (Richard P. Feynman)曾經說過一句名言:
「我認為,沒有人能真正了解量子力學!」
(I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.)

量子力學到底是什麼?為什麼量子力學可以這麼難懂?最近夯翻天的量子電腦,又是怎麼一回事呢?

中央研究院盧志遠院士不僅曾擔任交通大學教授、 AT&T Bell Lab 計畫主持人,回國後至工研院電子所、經濟部次微米計畫專案總主持人,也投身產業界,先後擔任世界先進積體電路公司、欣銓科技公司、旺宏電子公司等高階決策及董事會團隊,榮獲工研院院士、世界科學院院士、美國國家發明家學院院士、總統科學獎等榮譽,在產、官、學、研四方均有崇高的成就與地位。

因此,科技大觀園特別邀請盧志遠院士,透過訪談,為我們解開量子科技的神秘面紗。

盧志遠院士。圖/盧志遠 院士提供

我談的是足球場,你卻在講足球

盧志遠表示,量子力學會這麼難懂,跟我們看世界的「尺度」有關,當我們看世界的尺度不一樣了,很多看起來應該要很怪的現象,都會變得不奇怪了。

以人類的視角為例,雖然人類在地球上生活了這麼久,但我們的視野實在是太小了,小到仍有許多人認為地球是平的,對許多人來說,要想像自己住在一顆大圓球上,這真的是太怪了!

在當今科學界由人類發展出來的理論中,古典物理適合解釋人們生活的範圍,相對論擅長處理大世界的、天文物理的現象,而量子力學則專門處理「小世界」的問題。

以我們最熟悉的古典物理為例,在地球人生活的範圍和尺度中,以牛頓力學為基石的古典物理都是沒有問題的、具有解釋力的,然而,當我們的眼光放大到整個銀河系時,古典物理就不行了。

同樣的,當我們把視野縮得非常小,小到原子以下時,即使牛頓復活,他與他的運動定律對微觀尺度的現象也將無可奈何。

這些尺度的差異,就像是足球場與足球,甚至是足球場與一滴汗水的大小差異一樣,當尺度不同時,我們看到的現象與解釋方法也會不盡相同,這也就是人們「難以搞懂量子力學」的真正原因,畢竟,量子力學談的東西真的太、小、了!

那些年,讓科學家黑人問號的商品

面對近期出現的「量子」商品,盧志遠笑著問道:「你們有沒有想過,為什麼原子筆要叫做『原子』筆?」

原子筆跟原子有什麼關係呢?圖/pixabay

1960 年代左右,當原子筆準備從歐美進入中文市場時,原子筆尚未擁有自己的中文名稱。

然而,在原子彈、原子能源崛起的年代,「原子」在當時是非常高科技、前端的科學名詞,這種新產品又是當時最新潮、最高級的文具, 因此廠商將其命名為「原子筆」,象徵它是一種尖端科技下的高檔文具

也就是說,原子筆會叫做原子筆,單純只是因為「原子」聽起來很潮。

看到這裡,你是否感到無言以對?隨著科學進展、科學教育普及,接受過十二年國教的我們都知道,「原子」不過就是組成物質的基本結構之一。

原子鍵盤、原子衛生紙、原子杯?天哪!根本一點邏輯都沒有啊!

從原子筆的故事中,我們不難發現,面對「新穎、陌生的科學名詞」時,一般大眾時常抱持著憧憬嚮往、高科技的想像,為了吸引消費者的目光,各大廠商也會為自家產品,冠上這些根本毫無邏輯可言的名詞,濫用新穎的科學概念,像是太空被、磁場面膜、量子假睫毛、AI 牙刷等等。

一顆量子?「量子」根本不是一個東西!

盧志遠感慨道,大約每過十年,就會有產品都會被冠上類似的新名詞,而廠商會透過這些科學名詞,讓大家覺得它們的商品很新鮮、有力量又性感。

近年來,量子力學逐漸走入大眾視野,由於量子力學艱深又新穎,就如同原子筆一樣,許多錯誤的理解和誤用逐漸浮現在世人眼前,例如,市面上已經有許多民生用品、心理諮商的服務被廠商冠上「量子」的名義,甚至以為量子就像是一顆一顆原子一樣,誤將量子當作實體的名詞。

事實上,量子(Quantum)並不是一個「子」,而是一種物理學概念,可以描述物質也可以描述能量。

如果一個物理量存在最小的不可分割的單位,那麼這個最小單位就稱為量子。例如在微觀的世界中,能量的狀態是不連續的,是由一小塊、一小塊能量所組成的能量,而這個最小且不能分割的能量狀態,就是量子。

因為人的世界是巨觀、是連續的,所以不能體會微觀的世界,在巨觀解析度不夠的情況下,才會誤認能量是連續的。就是因為量子是如此的微小,這麼巨大的人類,又怎麼能輕鬆弄懂「量子疊加態、量子糾纏」呢?在我們人類自身尺度、溫度等各種環境中,如此的觀念或現象是極少能夠被體驗的!

既然搞不懂,量子電腦又是怎麼來的?

想必大家都有聽過「量子電腦」的鼎鼎大名,甚至耳聞「量子霸權」這等氣勢恢弘的名詞,可是,之前費曼不是說過沒有人可以搞懂量子力學嗎?既然如此,量子電腦又是怎麼做出來的呢?

IBM的量子電腦。圖/flickr

簡單來說,就是「縱使相當多科學家不完全懂,但是每一個人都會用」。

大家一定都有過「我不懂這個公式從哪來,但是我知道怎麼用」的經驗,就算我們已經忘了如何推導橢圓公式,也搞不懂橢圓公式的原理,但高中生都可以靠著公式,有效解決數學考卷上的各種題目。

又好像每個人都在滑手機,但對於手機裡的中央處理器及高階 3D 記憶體是甚麼東西?相互作用的原理又是甚麼?不要說一般人,可能連非本科的專家都參透不多。

雖然不懂原理,我們一樣可以把手機功能用的淋漓盡致,讓每個人都可以是傳說中具有神力的千里眼順風耳。

而量子電腦也是類似的概念,雖然我們距離完全了解量子力學還有很長遠的距離,還好的是,只需要少數專家皓首窮經了解深層原理與細部操作後,其他領域的專家或工程師就只需要知道在哪些特殊條件下,物質會呈現出量子力學的某些明顯特徵,並且運用這些特徵來進行計算,這樣就足夠推使人類科技應用及生活便利性往前進一大步。

現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件,當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時,每個原子的平均動能都非常低,不會破壞別人的量子態,如此一來,科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中,藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。

量子電腦有什麼特別的?

比起傳統數位電腦,量子電腦處理資訊的方式完全不一樣,在處理特定問題時,不僅運算力更強,計算速度也會更快。

那是因為量子電腦可以多個量子位元平行處理,不像數位電腦只能序列性、一條一條路徑依序運算。

數位電腦透過0、1的二進位來進行運算,若我們想要讓數位電腦變得更快,就必須勤能補拙,使每單位運算的速度倍增,如果今天的數位電腦一秒鐘可以算一百萬次,未來,我們就要努力讓它在一秒鐘內算上一億萬次。

然而,數位電腦其實並不「聰明」,舉例而言,當我們向電腦要求「從臺灣大學找出一條最快抵達哈佛大學的路線」時,數位電腦會列出所有的路線,再找出旅行時間最短的路線,縱使數位電腦每秒鐘速度已達億萬次以上,要尋找這麼多的途徑,還是得花上很長的時間,有時需要萬年甚至比所謂宇宙生命更長的時間,也就是說,沒辦法解答!

但若以量子電腦來解決相同的問題,則量子位元可以將所有路徑一次性平行處理、同時計算,因此速度將變成指數式(量子位元數)的倍增。

而量子電腦則因為量子位元的特性,當位元數為 n 個時,比起傳統電腦的 n 或是 2n, 量子電腦的訊息空間為 2 的 n 次方,具有指數性成長的優勢,面對越困難複雜的問題,越能顯現量子電腦驚人的威力。

換句話說,量子電腦真正的威力並非計算速度較快,而是能夠平行處理問題。

量子科技興起,我們該如何應對?

2019年,Google與合作團隊提出了量子霸權(Quantum supremacy)的概念,並聲稱自己 53 量子位元(Qubit)的量子電腦達到了量子霸權的境界,可以處理傳統電腦無法處理的難題。由此可知,量子科技是將來的重要發展趨勢之一,我們可預期量子科技一定會對臺灣科技業造成很大的影響。

針對臺灣的未來,盧志遠保守的說,雖然臺灣擁有優秀的高科技人才、半導體產業,但我們只能說在量子科技領域中臺灣沒有處於劣勢,但也無法預期具備什麼明顯的優勢。因為一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技,過去的成功經驗不一定能完美複製,屆時產業及政經環境可能都有不同,既有的優點,有時反而造成拖累,此種現象,在科技破壞性替代時,曾經屢屢出現。

但也因為量子科技是無法迴避的趨勢,我們該如何應對?

以半導體產業做比喻,半導體產業粗分 IC 設計、晶圓製造、封裝、測試,同時需要許多高科技設備和原物料相配合,從結果來看,並沒有單一個企業能夠在不同領域都獲得成功、稱霸一方。

因為每個領域所需的專業技術或營運能力不同、投資也不同,如果同樣概念也適用量子科技產業,企業或國家都應該檢視自己的特長,隨時保持警覺,在最適當時機將有限資源投入最好的運用。

但即使量子科技浪潮來襲,盧志遠認為年輕人並不需要著急、也不需要跟風。可以選擇站在浪尖,也未嘗不可只在岸邊觀潮。

投入量子科技的科學研究,或是關注量子科技趨勢、使用量子科技帶來的成果與便利,創造因量子科技帶來的新應用領域,以破壞性創新發明新商業模式,可能反而是最大的機會。

就個人前途而言,應分析並認識自己的特質與人格找到屬於自己的方向,好好鑽研、好好做事。「成功」的最終門檻,仍然是內心的狂熱和喜歡。

參考文獻

  • Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., Barends, R., … & Martinis, J. M. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779), 505-510.
  • 張元翔(2020)。量子電腦與量子計算|IBM Q Experience實作。碁峰。
  • Even Physicists Don’t Understand Quantum Mechanics
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科技大觀園_96
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