Hà Lan lập kỷ lục lưu trữ cấp nguyên tử: 1 con tem cũng có thể chứa toàn bộ sách của nhân loại

Các nhà nghiên cứu tại Hà Lan mới đây đã thành công trong việc phát triển một thiết bị lưu trữ dữ liệu ở cấp nguyên tử, với khả năng ghi tới 500 Terabits dữ liệu trên diện tích 5 cm vuông. Nói cách khác cho dễ hình dung - điều này đồng nghĩa với việc toàn bộ kho tàng sách của nhân loại có thể được lưu trữ trên một thiết bị với kích cỡ chỉ vỏn vẹn bằng một con tem bưu chính.

"Ổ cứng nguyên tử" được phát triển bởi Sander Otte cùng các đồng sự của mình tại trường đại học Delft. Thiết bị này có mật độ lưu trữ lớn hơn 500 lần so với những ổ cứng hiện đại nhất hiện nay. Tất nhiên, ổ cứng mới này - theo như công bố mới nhất trên tạp chí Nature Nanotechnology - vẫn cần phải được nghiên cứu và hoàn thiện kỹ hơn trước khi có được sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, thiết bị này sẽ trở thành nền tảng quan trọng để đưa những thiết bị lưu trữ dữ liệu kích cỡ nguyên tử vào thực tế sử dụng trong tương lai.

Lưu trữ dữ liệu ở cấp nguyên tử

Tất nhiên, đây không phải lần đầu tiên mà các nhà khoa học thành công trong việc "điều khiển" và sắp xếp vị trí các nguyên tử theo đúng ý mình. Trên thực tế, họ đã có thể di chuyển các nguyên tử bằng kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning Tuneling Microscope) từ đầu những năm 90 - nhưng phương pháp này rất chậm, đồng thời còn đòi hỏi sự kiên nhẫn và cẩn thận cao độ. Đến nay, tuy Otte vẫn chưa cải thiện được tốc độ của phương pháp này hơn là bao, nhưng xét về độ dễ sử dụng thì đã tăng cao hơn nhiều lần.

Ban đầu, Otte cùng các đồng sự đặt những nguyên tử Clo lên một bề mặt bằng đồng, tạo thành những mạng lưới hình vuông hoàn hảo. Mỗi khi một nguyên tử Clo mất đi, trên mạng lưới sẽ xuất hiện một khoảng trống - tạo thành những trạng thái tắt/bật của nền tảng lưu trữ nhị phân. Sử dụng kính hiển vi quét xuyên hầm, các nhà nghiên cứu có thể dò chính xác từng nguyên tử trong mạng lưới, đồng thời cũng có thể kéo những nguyên tử kề cận vào khoảng trống.

"Sự kết hợp giữa những nguyên tử Clo trên mạng lưới tinh thể đồng, kết hợp cùng khả năng điều chỉnh các khoảng trống trong mạng lưới - giống như những bộ xếp hình trượt - tạo thành một hệ thống thao tác đáng tin cậy, có thể dễ dàng áp dụng và mở rộng, cũng như tự động hóa" - Otte cho biết. "Cảm giác như chúng tôi đã tạo ra một chiếc máy in với kích cỡ nguyên tử vậy".

Các chữ cái sẽ được quy định như thế này

Mỗi bit dữ liệu được quy định theo hai vị trí của nguyên tử Clo trên bề mặt các nguyên tử đồng. Nếu ở dưới nguyên tử Clo là một khoảng trống - bit này sẽ mang giá trị 1. Ngược lại, bit mang giá trị 0. Nguyên lý hoạt động của ổ cứng này chỉ đơn giản vậy thôi.

Phương pháp này cũng bền vững hơn phương pháp sử dụng các nguyên tử tự do rất nhiều, bởi lẽ các nguyên tử Clo ở gần nhau sẽ giúp cố định vị trí của chúng lại với nhau. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu đã có thể thực hiện những thao tác đọc, ghi, ghi đè dữ liệu trên thiết bị 1 kilobyte cấu thành từ 8000 bit nguyên tử. Đây cũng chính là cấu trúc nguyên tử lớn nhất được tạo ra từ bàn tay của con người.

Bộ nhớ được các nhà nghiên cứu sắp xếp theo các khối 8 byte (tương đương với 64 bit). Mỗi khối này sẽ đi kèm với một thiết bị đánh dấu với cấu trúc giống như những khoảng trống nói trên - đóng vai trò như cấu trúc raster của các nguyên tử Clo. Các thiết bị đánh dấu này đóng vai trò giống như mã QR của khối, mang thông tin về vị trí chính xác của khối trên lớp đồng. Kể cả khi trên bề mặt đồng xuất hiện những hư hỏng, thông tin được lưu trữ vẫn có thể được truy xuất mà không gặp trở ngại gì.

Trong quá trình thí nghiệm, các nhà nguyên cứu bảo quản vị trí của hơn 8000 khoảng trống trong mạng lưới nguyên tử Clo ở nhiệt độ âm 196°C - trong vòng 40 giờ đồng hồ. Sau khi tạo ra một bảng chữ cái nhị phân dựa trến vị trí của các khoảng trống, các nhà khoa học bắt đầu tiến hành lưu trữ một vài cuốn sách khác nhau - như cuốn "Nguồn gốc các loài" của Darwin, hay "There's Plenty of Room at the Bottom" của nhà vật lý Richard Feynman. Dữ liệu được ghi lại trên từng nguyên tử, theo từng bit trên bề mặt lớp đồng. Tất nhiên, tốc độ ghi/ghi đè rất chậm - mất tới vài phút đồng hồ, nhưng điều này cũng đã đủ để chứng minh rằng các nhà khoa học hoàn toàn có thể đọc/ghi/ghi đè dữ liệu trong cấp độ nguyên tử.

Một đoạn văn được lưu lại ở cấp độ nguyên tử

"Mặc dù về mặt khả năng và dung lượng, ổ cứng nguyên tử hoàn toàn bỏ xa các thiết bị hiện đại khác, nhưng xét về tốc độ đọc/ghi dữ liệu thì vẫn còn chậm hơn rất, rất nhiều lần. Tuy nhiên, tôi không nhìn thấy có một rào cản nào về mặt vật lý để ngăn cản chúng ta trong quá trình cải thiện tốc độ đọc/ghi, để ngang với các loại ổ cứng hiện tại. Tất nhiên, về mặt công nghệ điều này vẫn còn là một thử thách rất lớn, nhưng về mặt vật lý thì hoàn toàn khả thi" - Ông Otte chia sẻ.

Rào cản lớn nhất, nằm ở việc hệ thống này không thể hoạt động trong điều kiện môi trường bình thường. Ổ cứng nguyên tử hiện tại chỉ có thể hoạt động trong môi trường chân không, và ở nhiệt độ -346 độ F (-210 độ C). Điều này có thể sẽ khiến nhiều người cảm thấy cụt hứng, nhưng Otte không nghĩ như vậy. Theo như ông, bước đầu họ đã tìm ra được rằng, sự kết hợp giữa đồng và Clo tạo ra sự cân bằng và ổn định về mặt cấu trúc, nhưng cũng dễ dàng điều khiển. Bước tiếp theo, đương nhiên sẽ là tìm ra sự kết hợp khác, giữa các nguyên tử khác để cho ra kết quả tương tự nhưng ở nhiệt độ bình thường để đưa hệ thống này đi vào thực tế sử dụng.

"Kể cả trong trường hợp xấu nhất, tôi vẫn không nghĩ việc các trung tâm dữ liệu lớn sử dụng ổ cứng nguyên tử và giữ chúng tại nhiệt độ -210°C là điều bất khả thi. Rất nhiều bệnh viện giữ máy quét MRI của mình dưới nhiệt độ Heli, vậy nên điều này cũng có thể ứng dụng được trong các trung tâm dữ liệu lớn." - Otte cho biết.

Ông Otte tin rằng đây là một thành tựu vô cùng lớn trong lĩnh vực công nghệ nano. Theo như ông, đây chỉ là một trong những ví dụ về khả năng xây dựng trên cấp độ nguyên tử - đơn vị nhỏ nhất hiện tại của loài người. "Ở thời điểm hiện tại, tôi đoán trước được điều gì, nhưng tôi tin rằng những thành tựu mà chúng ta đạt được sau này sẽ không chỉ dừng lại ở lưu trữ dữ liệu, mà còn hơn thế rất nhiều" - Ông chia sẻ.

Tham khảo Gizmodo