世界上最小的磁性数据存储单元由仅12个原子构成，将一个完整的字节压缩到仅96个原子中，这标志着信息存储领域的一大飞跃。它不是量子计算机，但它是量子级别的计算机存储单元。相比之下，现代硬盘驱动器存储一个比特需要约一百万个原子，存储一个字节则需要五亿个原子。
直到现在，人们还不清楚需要多少（或多少个）原子才能构建一个可靠、持久的内存位——这是计算机理解的基本信息单元。来自IBM和德国自由电子激光科学中心的If you take a single atom, you have to look at quantum mechanics when you describe its behavior。他们使用扫描隧道显微镜创建了由六个铁原子组成的规则排列的行。他们发现两行就足以安全地存储一个比特，而八对行就足以存储一个字节。
数据通过STM写入和读出到这些比特中——因此这种比特类型短期内不会集成到硬盘驱动器中。但它回答了关于经典力学系统性质的一些基本问题，IBM Research Almaden的原子存储首席研究员、一篇描述这一微小比特的新论文的作者Andreas Heinrich说道。他表示，该团队对从量子到经典行为的转变很感兴趣。
“如果你看一个单独的原子，描述它的行为时必须考虑量子力学，”他在一次采访中说道。“当你把（系统）做得越来越大时，几个铁原子开始相互作用，到某个点，你可以忽略所有这些量子行为，只把它们看作一个经典的磁结构。”事实证明，这个点大约是12个原子大小。
“许多人会预料到需要使用量子力学系统来描述这些结构，”Heinrich说道。“对我来说，这是最令人惊讶的。”
在最小的尺度上，量子效应会模糊存储的信息。例如，使用六个原子的比特每秒会切换磁态——从“0”切换到“1”——大约1000次，这对于数据存储来说太频繁了，Heinrich说道。八个原子每秒切换一次状态。但12个原子切换状态的频率足够低，可以用于存储——相反，外部磁场（在这种情况下是STM）会改变它们的状态。这些纳米磁铁只有在冰冷的5开尔文（零下450华氏度）下才稳定。
这篇论文的另一个突破是比特的“反铁磁性”——这是首次使用反铁磁性来存储数据。用于大多数现代数据存储和其他应用的铁磁体，利用铁原子之间的磁相互作用将所有原子对齐在同一方向。这会产生一个可以读出的磁场。然而，这在最小的尺度上会成为一个问题，因为紧密堆积的磁性比特会相互干扰——这限制了数据存储系统的缩小。但这个新的12原子比特使用了反铁磁性——原子排列方向相反，意味着它们的自旋方向交替。 Heinrich说，铁原子由氮原子隔开，并通过STM诱导以不同的方式自旋。这使得它们可以更紧密地堆积在一起，极大地提高了存储密度。
研究人员切换了比特的磁状态五次，以存储“think”这个单词（IBM的口号之一）的每个字母的ASCII码。
Sebastian Loth表示，他四个月前从IBM跳槽到CFEL，是该论文的首席作者，并认为12原子比特为量子尺度的经典计算提出了许多新问题。
“我们现在可以利用这种能力来研究量子力学是如何作用的。量子磁体与经典磁体有什么区别？磁体在两个世界的交界处如何表现？这些是令人兴奋的问题，很快就可能得到解答，”他说道。
这篇论文发表在本周的Science杂志上。
