Голограмма превратилась в нанонадпись

Почти 20 лет назад сотрудники исследовательского подразделения IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швайцер написали название своей компании 35 атомами ксенона на никелевой подложке. Расстояние между атомами, которые учёные с помощью сканирующего туннельного микроскопа водружали на подложку один за одним, было 1,3 нанометра, а размер самих букв составил чуть больше 4 нм.

Конечно, большинству из нас такое достижение по барабану: уменьшить сканирующий туннельный микроскоп до размеров жёсткого диска никому не удавалось, да и скорость записи не так велика. Но исследователям компании IBM – райского уголка для исследователей того времени – было приятно: средняя плотность записи информации составила примерно 0,6 бит/нм² – умопомрачительное значение с точки зрения компьютерной техники.

В принципе, теория допускает любую плотность упаковки информации в квантовом состоянии – был бы только вакуум достаточно чистым, а температура достаточно низкой (про эффекты не существующей пока квантовой теории гравитации забудем). Однако в реальности, даже лабораторной, плотность записи примерно в бит на квадратный нанометр считалась предельной – куда уж атомам быть ближе, чем в кристаллической решётке.

Хари Манохарану и его коллегам из американского Станфордского университета удалось превзойти своих коллег и учителей из IBM.

На медной подложке они написали университетскую аббревиатуру SU нанометровыми буквами. Да при том физически разместили две буквы в одном и том же месте.

Плотность информации составила 20 бит/нм². Работа с описанием нового метода принята к публикации в Nature Nanotechnology.

Чтобы достичь такого успеха, Манохаран и его коллеги воспользовались методом квантовой голографии. В обычной голографии трёхмерное изображение какого-либо предмета записывается в виде картины интерференции двух потоков света – отражённого от предмета и опорного. После этого достаточно посветить на готовую голограмму опорным пучком, и состояние поля электромагнитного излучения восстановится. Говоря простым языком, из (почти) любой точки мы увидим предмет ровно так, как будто он в реальности находится там, где был в момент записи: можно поворачивать голову, ходить вправо-влево, и глаза будут видеть такие же лучи, которые в момент записи там проходили.

Станфордские учёные также воспользовались голографическим восстановлением, но восстанавливали они не световые волны, а электронные. Физики уже почти сто лет знают, что не только фотон, но и все элементарные частицы можно рассматривать и как волны. И эти частицы также могут интерферировать, проходить одновременно через пару щелей и так далее. В каждой точке волны можно складывать и вычитать. Более того, в эксперименте Манохарана можно было не задумываться о том, как это одна частица проходит сразу через две щели: на поверхности медного проводника электронов достаточно, и волновое описание для них более чем естественно.

С квантовой электронной голографией учёные играются не первый раз. Несколько лет назад тот же Манохаран вместе с «нанописарем» IBM Дональдом Эйглером научились создавать так называемые квантовые миражи, в которых интерференция электронных волн – точь-в-точь как в обычной голографии – переносила картину рассеяния электронов атомом или молекулой в другую точку. Однако с точки зрения плотности информации такой трюк не давал выигрыша: чтобы создать голограмму, эти центры рассеяния надо было сначала поместить в пространстве на место «голографируемого объекта».

В последней работе третье пространственное измерение, на которое надо было проектировать голограмму, учёным заменила энергетическая координата. Для считывания им приходилось многократно сканировать крохотную медную площадку на нескольких энергетических уровнях. И на каждом уровне могла быть записана своя буква – количество срезов ограничивает лишь способность записать одну букву так, чтобы она не испортила запись на соседних «срезах».

И вот вопрос о записи для учёных самый больной.

Чтобы создать электронную голограмму, они разбрасывают по медной площадке молекулы CO (угарного газа); электронные оболочки этих частиц поглощают и рассеивают электронные волны на поверхности меди примерно так же, как частицы почерневшего серебра на фотопластинке рассеивают и поглощают световые волны.

Но вот решить задачу, как раскидать молекулы, чтобы при считывании получилась латинская буква, а не китайский иероглиф, учёные пока могут лишь в индивидуальном порядке. Компьютер берёт исходное случайное распределение, вычисляет, как будет выглядеть считанная голограмма, а потом пытается тупо двигать частицы до тех пор, пока рассчитанная запись не сойдётся с той, которая нужна.

Кроме того, учёные слегка лукавят, когда говорят о рекордной плотности записи.

Даже если им удалось поместить 20 бит на 1 нм², это не значит, что на участке в 1000 нм² поместятся 20 тысяч бит.

Мало того что нет общего алгоритма, способного вычислить, как записать эти 20 кбит. «Рябь» на поверхности электронных волн, рассеянных где-то за границами клочка меди с записью, доберётся и до него и будет портить картину. Например, когда учёные записывали S и U, они оставляли вокруг поля по 5–10 нм. Если их учитывать при расчёте, плотность записи упадёт в несколько раз.

Впрочем, Манохаран и его коллеги и не утверждают, что их изобретению суждена скорая реализация в каких-нибудь «наноголографических квантовых жёстких дисках». Более того, запись хоть сколько-нибудь значительного количества информации будет занятием «откровенно непрактичным», пишут учёные. Однако эффект наверняка найдёт своё применение в науке. А рекорд уже никак не отменишь.