Исследователи из Университета Монаша и Чешской академии наук собрали двумерный штрихкод, каждый субпиксель которого образован единственным атомом серебра. Полученный QR-код обладает физическим размером 50 на 50 нанометров и на сегодняшний день представляет собой самый миниатюрный в мире объект подобного рода. Работа выполнялась при помощи сканирующего зондового микроскопа на основе квантового туннелирования в среде сверхвысокого вакуума и при криогенных температурах, что обеспечило стабильность каждого атома на медной подложке.
Коллектив физиков решал задачу, связанную не столько с кодированием информации, сколько с демонстрацией контроля над веществом на предельном для современных технологий уровне. Предыдущий рекорд плотности размещения данных, зафиксированный несколькими годами ранее, опирался на ячейки памяти, состоявшие из нескольких атомов либо молекулярных кластеров. Австралийские и чешские учёные сумели сократить базовую структурную единицу до одного атома серебра, что позволило преодолеть существовавшее ограничение и показать принципиальную возможность формирования осмысленного паттерна из отдельных химических элементов.
Получившаяся структура представляет собой матрицу, которая содержит тёмные и светлые участки, соответствующие классическому рисунку QR-кода. Тёмными субпикселями служат непосредственно атомы серебра, размещённые на поверхности монокристалла меди, тогда как светлые участки остаются свободными от атомов зонами подложки. Такой подход имитирует логику двоичного представления данных, где наличие атома кодирует единицу, а его отсутствие — ноль. Сам код ведёт на официальный сайт Университета Монаша, что подтверждает его работоспособность при считывании с помощью электронного микроскопа и последующей программной обработки изображения.
Инструментом для манипуляций выступил сканирующий туннельный микроскоп, чей принцип действия основан на эффекте квантового туннелирования электронов между остриём зонда и проводящей поверхностью. При подаче напряжения между зондом и образцом возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния. Регистрируя изменения этого тока, микроскоп формирует карту поверхности с разрешением вплоть до отдельных атомов. В режиме манипуляции остриё зонда приближается к выбранному атому, захватывает его и перемещает в заданную позицию, после чего атом фиксируется на новом месте за счёт сил адгезии и химической связи с подложкой.
Эксперименты проходили в камере сверхвысокого вакуума, где давление не превышало десяти в минус десятой степени миллибар. Такая среда исключает загрязнение поверхности молекулами остаточных газов и окисление атомов серебра. Криогенные температуры, поддерживавшиеся на уровне нескольких кельвинов, потребовались для подавления тепловой диффузии атомов — при комнатной температуре единичные атомы серебра на медной подложке обладают слишком высокой подвижностью и самопроизвольно покидают назначенные позиции за времена порядка микросекунд или миллисекунд. Охлаждение до гелиевых температур замораживает диффузионные процессы и позволяет хранить собранный узор в течение длительного времени.
Количество атомов серебра, задействованных для создания кода, исчисляется несколькими сотнями, хотя точное число зависит от конкретной версии QR-кода, выбранной исследователями. Стандарт QR предусматривает несколько уровней избыточности и размеров матрицы; в данном случае учёные использовали минимальную версию, достаточную для кодирования короткой гиперссылки. Каждый субпиксель кода физически равен одному атому, что при шаге решётки около 0,5 нанометра даёт плотность записи, которая на порядки превосходит возможности самых совершенных кремниевых микросхем флеш-памяти и современных жёстких дисков, оперирующих элементарными ячейками размером в десятки нанометров.
Практическое применение технологии в ближайшие годы останется ограниченным фундаментальными исследованиями. Работа с отдельными атомами требует криогенных температур, сверхвысокого вакуума и прецизионной измерительной аппаратуры стоимостью в сотни тысяч долларов. Скорость сборки атомного QR-кода также не идёт ни в какое сравнение с операциями электронных устройств: на позиционирование каждого атома уходили секунды или десятки секунд. Тем не менее сам эксперимент служит доказательством концепции, важной для развития атомной электроники и спинтроники, где единичные атомы могут выступать в роли кубитов или логических ячеек.
