加拿大阿尔伯塔大学的研究人员近日宣布，他们研发出一种利用扫描隧道纤维镜在硅片表面移动氢原子实现的新型存储技术，若该技术商业化，存储能力可达 21.4TB 每平方厘米，是现有硬盘存储能力的 1000 倍。
1986 年，基德·比林（Gerd Binnig）和海因里希·罗赫（Heinrich Rohrer）在 IBM 公司发明了世界上第一台扫描隧道显微镜，并被授予诺贝尔物理学奖。该显微镜利用了一种被称为隧道效应的物理原理，即电子从被观测物体表面的原子中跳出，到达在观测材料上方不到 1 纳米处的接收电极，通过处理形成图像。扫描隧道显微镜是今天纳米技术的基础。
除了对物体进行极高分辨率的成像，研究人员还试图开发扫描隧道显微镜作为数据存储设备的潜力。去年，IBM 研究人员用扫描隧道显微镜和 1 个铁原子组成一个电子自旋共振传感器，以读取钬原子中的磁极状态，北极代表 0，南极代表 1。
图 | 团队用扫描隧道显微镜且以 21.4TB 每平方厘米的数据密度刻录了整个字母表，这相当于在一粒米的表面写下 35 万个字母。（图源：Nature Communication）
加拿大研究人员采用了另外一种基于扫描隧道显微镜构建存储器的方式。他们用电极对材料发射电脉冲，移除硅片表面的单个氢原子。一旦氢原子被移除，表面就会形成空穴。有规律排布的空穴就可以记录信息。
阿尔伯塔大学学生，论文第一作者罗珊·阿奇尔（Roshan Achal）在《自然·通讯》（Nature Communication）上发表的论文中表示，该研究团队已经将刻录过程自动化，因此无需人工干预。
图 | 团队用扫描隧道显微镜制造出了世界上最小的枫叶图形。左下角比例尺为 5nm。（图源：Nature Communication）
空穴和非空穴的排布，就相当于“0”和“1”这 2 个二进制数字。
阿奇尔表示，之前尽管刻录过程精确度非常高，但是还是有缺陷。有时，扫描隧道显微镜会挖除非指定位置的氢原子，一旦这种问题出现，这块硅片就只能报废，换硅片从头再来。
现在，团队已经改进了刻录过程，因此即使移除了错误位置的氢原子，也无需换新硅片从头再来。
此外，从硅片表面移除时，氢原子未必能稳固地吸附到显微镜探头上，可能会重新落回硅片表面。但是团队发现了 2 种特殊的信号模式，因此可以极大提高移除成功率，从而实现自动化。
该技术属于广义上的纳米制造学科，但阿奇尔表示，两者的主要区别在于精度和自动化程度——论文中提到的成果在这两项指标上要高得多。此外，尚无其他纳米制造技术可以连续从材料表面以可控方式连续移走多个氢原子。
当然，通常情况下，扫描隧道显微镜必须在超低温下工作，这对于商业存储设备显然不太现实。但是研究人员表示，这款新的技术可以在室温下保持足够的稳定性。
稳定性的提高必须付出制造更加困难的代价。不过，团队表示，他们已经克服了包括该问题在内的许多技术问题，为进一步的产业化推广做好了准备。
此外，阿奇尔还表示，目前没有理由认为扫描电子显微镜的刻录速度不能达到实用化的水平。
阿奇尔和团队正在研究更快的刻录方法，比如，给扫描隧道显微镜配备多个探针。此外，一些材料可以允许同时操作上千个氢原子。如果这类材料得以应用，刻录速度将大大提升。
不过，怀疑者指出，IBM 公司 Millipede 项目曾推出了一款新型数据存储系统，该系统利用上千个微型原子力显微镜阵列进行刻写，而 IBM 苏黎世研究部门成员保罗·施耐德（Paul Seidler）在 7 年前就表示，IBM 已经放弃了这种大规模探针阵列的数据存储方案，并认为该技术的真正用武之地是半导体制造中的光刻工艺。
显然，如果 IBM 的说法有指导意义，那么阿奇尔和团队成员的多探针扫描隧道显微镜存储方案距离实用化还有很长的路要走。
