2007年9月1日，IBM公司的科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)《科學(xué)》雜志宣布了兩項(xiàng)原子尺度的科學(xué)突破：第一項(xiàng)是在了解單個(gè)原子保持一定的磁方向、從而使其具備適合未來數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的能力方面所邁出的重要一步；第二項(xiàng)是一個(gè)分子內(nèi)不同原子之間及不同分子彼此之間的一個(gè)邏輯開關(guān)，它們是分子計(jì)算機(jī)的潛在構(gòu)造單元。這兩項(xiàng)重大突破為研制原子尺度的結(jié)構(gòu)和裝置奠定了基礎(chǔ)。

雖然這兩項(xiàng)突破性研究成果的最終應(yīng)用與實(shí)踐還將有很長(zhǎng)的路要走，但它卻可以促進(jìn)IBM公司及其他研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家繼續(xù)推動(dòng)納米領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，即探索如何利用只有幾個(gè)原子或分子的超小型部件來制造結(jié)構(gòu)和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計(jì)算機(jī)芯片、存儲(chǔ)裝置和傳感器。

微觀世界的科學(xué)：了解原子的磁性

你能設(shè)想將3萬部電影或整個(gè)YouTube網(wǎng)站的內(nèi)容放進(jìn)iPod大小的裝置中馬？納米技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。要讓納米技術(shù)發(fā)揮威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭發(fā)絲寬度的幾萬分之一的粒子卻并非易事。

在第一篇研究報(bào)告中，美國(guó)加州圣何塞市IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家們?cè)谔剿鲉蝹€(gè)原子“磁各向異性”特性方面取得了重大科學(xué)進(jìn)展。他們用IBM低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對(duì)單個(gè)鐵原子進(jìn)行控制并觀察將他們以原子等級(jí)的精度排列在一個(gè)特制的銅表面上的情況。在此基礎(chǔ)上，他們確定了各個(gè)鐵原子的磁各向異性的取向和強(qiáng)度。在這一研究成果公布之前，人們一直無法測(cè)定單獨(dú)一個(gè)原子的“磁各向異性”，而原子的這一基本屬性可以決定其存儲(chǔ)信息的能力，因此具有非常重要的技術(shù)意義。

這一突破還可能導(dǎo)致體積非常小的新型結(jié)構(gòu)和裝置的問世，并可應(yīng)用于傳統(tǒng)計(jì)算之外的全新領(lǐng)域和學(xué)科?！癐T行業(yè)今天所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)位盡可能的縮小，同時(shí)增加存儲(chǔ)容量，” IBM公司阿爾馬登研究中心負(fù)責(zé)科學(xué)技術(shù)工作的經(jīng)理Gian-Luca Bona說，“我們的研究工作處于最前沿領(lǐng)域，而且我們現(xiàn)在距離弄清怎樣在原子尺度上來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)已經(jīng)更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的基礎(chǔ)?！豹?/p>

超小型裝置: 單分子邏輯開關(guān)

在第二篇研究報(bào)告中，瑞士IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們描述了第一個(gè)單分子開關(guān)，它能夠在不破壞分子外框架的同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的操作。這是朝著制造比今天的計(jì)算機(jī)芯片和記憶裝置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的計(jì)算元件方向上所邁出的重要一步。

除了在一個(gè)分子內(nèi)進(jìn)行切換（開關(guān)）外，研究人員還演示了一個(gè)分子內(nèi)的原子如何與相鄰分子中的原子進(jìn)行切換，這實(shí)際上就構(gòu)成了一個(gè)基礎(chǔ)邏輯元件。這種切換之所以成為可能，部分原因是分子框架沒有被破壞。

計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)的開關(guān)與光開關(guān)的作用方式一樣，用來打開和關(guān)閉電子流并將它們放到一起，構(gòu)成邏輯門，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)處理器的電路。開關(guān)尺寸越小，電路尺寸也就相應(yīng)的小，從而有可能將更多的電路集成到一個(gè)處理器上，同時(shí)還可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他機(jī)構(gòu)的研究人員曾經(jīng)嘗試過在單個(gè)分子內(nèi)進(jìn)行開關(guān)，但這些分子在開關(guān)時(shí)會(huì)改變形狀，從而不適合構(gòu)造計(jì)算機(jī)芯片或記憶元件的邏輯門。

傳統(tǒng)基于硅的CMOS芯片的開發(fā)正在接近其物理極限，因此目前IT行業(yè)正在探索新的、真正具有突破性的技術(shù)，以進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的性能。模塊化分子邏輯是一個(gè)可能的候選方案，雖然將其應(yīng)用于具體實(shí)踐仍然還需要幾年時(shí)間。

IBM單原子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的構(gòu)造單元：圖1釋為一個(gè)鐵原子的優(yōu)先磁取向排列在一個(gè)專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)的原子適用性。當(dāng)一個(gè)原子的多個(gè)磁自旋點(diǎn)在一個(gè)方向時(shí)，它可以代表“1”，而在另一個(gè)方向時(shí)，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進(jìn)制值運(yùn)算方法，并把信息存入計(jì)算裝置。這即是原子存儲(chǔ)的一個(gè)潛在構(gòu)造單元。

此三維圖示（圖2）為被低溫掃描隧道顯微鏡尖端探測(cè)到的兩個(gè)萘酞菁分子的一個(gè)分子邏輯門。通過引導(dǎo)一個(gè)電壓脈沖通過分子的上下兩個(gè)尖端，在鄰近的分子（分子中心的白色物體）內(nèi)的兩個(gè)氫原子改變位置，靠電力控制整個(gè)分子的開關(guān)。這就構(gòu)成了一個(gè)基礎(chǔ)邏輯門，它也是電腦芯片的基本組成部分，它可以由分子組件作為計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)單元。

IBM單原子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的構(gòu)造單元：圖3釋為一個(gè)鐵原子的優(yōu)先磁取向排列在一個(gè)專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)的原子適用性。當(dāng)一個(gè)原子的多個(gè)磁自旋點(diǎn)在一個(gè)方向時(shí)，它可以代表“1”，而在另一個(gè)方向時(shí)，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進(jìn)制值運(yùn)算方法，并把信息存入計(jì)算裝置。這即是原子存儲(chǔ)的一個(gè)潛在構(gòu)造單元。

即使當(dāng)今存儲(chǔ)密度最高的硬盤，要想保存一比特的信息也需要大約100萬個(gè)磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經(jīng)成功地在一個(gè)單獨(dú)的原子上保存了一比特信息。 

與此同時(shí)，IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室則拿出了分子開關(guān)，有望取代當(dāng)今的硅芯片技術(shù)制造超微型的處理器，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的體積也許只會(huì)相當(dāng)于一粒塵埃。

IBM稱，單原子存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用后可以得到超高密度的存儲(chǔ)設(shè)備，至少相當(dāng)于目前硬盤的1000倍，可以在一部iPod的體積內(nèi)存儲(chǔ)3萬部全尺寸電影。

IBM Almaden研究中心掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)室主管Andreas Heinrich介紹說：“我們已經(jīng)可以測(cè)量出單個(gè)磁原子具有同樣的(磁各向異性)屬性，然后讓另一個(gè)原子靠近它，看看對(duì)(第一個(gè)原子的)磁各向異性有何影響，由此開發(fā)出一種具備超高存儲(chǔ)密度的新型材料?！豹?/p>

接下來，IBM將在室溫條件下測(cè)量不同類型原子的磁各向異性，以求獲得一種穩(wěn)定的高密度存儲(chǔ)材料，用于生產(chǎn)商用硬盤產(chǎn)品。IBM科學(xué)家Cyrus Hirjibehedin表示：“我們的下一步行動(dòng)就是研究如何讓一種特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力維持磁性取向，并且能夠在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，然后我們就能使之飛快旋轉(zhuǎn)。我們希望能在未來幾年內(nèi)展示這種穩(wěn)定的媒介材料?！豹?/p>

納米技術(shù)主要在于研究分子結(jié)構(gòu)，將電子電路微小化，并改善半導(dǎo)體制程中各項(xiàng)設(shè)備所需的微小組件，為當(dāng)前科技界公認(rèn)最具前瞻性的研究領(lǐng)域。

IBM認(rèn)為，未來數(shù)10年，這些厚度僅有人類毛發(fā)萬分之一的納米管是最有可能取代硅元素，用于先進(jìn)芯片的制造。多年來，處理器、內(nèi)存和其它芯片的制造都以硅為基本原料，但預(yù)期10年內(nèi)就會(huì)因體積無法進(jìn)一步縮小而達(dá)到極限。

碳納米管是以石墨的平面組織卷成管狀而成。石墨原為低價(jià)平凡的材料，但若藉由先進(jìn)的技術(shù)予以加工，即搖身一變成為納米技術(shù)的新寵，而且價(jià)值非凡。

由于納米原料能為處理器提供較小且更多的導(dǎo)電區(qū)塊，許多研發(fā)人員將之視為半導(dǎo)體革新的關(guān)鍵。

雖然這兩項(xiàng)突破性研究成果的最終應(yīng)用與實(shí)踐還將有很長(zhǎng)的路要走，但它卻可以促進(jìn)IBM公司及其他研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家繼續(xù)推動(dòng)納米領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。