IBM animerar världens minsta kortfilm – med kolmonoxid

Med hjälp av ett sveptunnelmikroskop kunde forskare på IBM förra året presentera världens minsta magnetiskt lagrade bit digital information – konstruerad med endast tolv atomer. Nu har teamet använt sig av samma teknik för att animera en kortfilm, med 100 miljoner gångers förstoring.

Kortfilmen som IBM-forskarna laddat upp på Youtube heter “A Boy and his Atom”, och visar en enkel figur som träffar på en ensam atom. Filmen består av 242 bildrutor, samtliga fångade med ett sveptunnelmikroskop som gör enstaka atomer och molekyler urskiljbara med en förstoring på 100 miljoner gånger, och filmen har verifierats av Guinness World Records som världens minsta film.

“Capturing, positioning and shaping atoms to create an original motion picture on the atomic-level is a precise science and entirely novel. At IBM, researchers don’t just read about science, we do it. This movie is a fun way to share the atomic-scale world while opening up a dialogue with students and others on the new frontiers of math and science.“
– Andreas Heinrich, IBM Research

Sveptunnelmikroskopet, som uppfanns just hos IBM och vars konstruktion belönades med Nobelpris 1986, var inte bara viktigt för att kunna fånga atomerna på bild, utan var nödvändigt för att kunna placera ut dem med precision. En extremt tunn och skarp nål placerades en nanometer ovanför en kopparyta, och en spänning lades över de båda. Genom att sedan försiktigt flytta nålen över kopparytan kunde forskarna dra med sig atomerna, mer specifikt i form av kolmonoxidmolekyler, och använda de ljud som uppstod för att bedöma hur de förflyttat sig.

Med filmen vill forskarna bland annat dra uppmärksamhet till sin teknik för att förflytta och granska atomer, som tidigare visats upp i arbetet med världens minsta magnetiskt lagrade digitala bit, och det är därför filmen inleds med just 12 atomer – det minsta antal atomer som kan ge en stabil representation av en bit. Detta kunde göras delvis genom användandet av sveptunnelmikroskopet, som undersöker ett material genom att upptäcka tunnlande elektroner nära ytan, och delvis genom att placera ut atomerna antiferromagnetiskt.

Förenklat innebär detta att intilliggande atomer har motsatt riktning (motsatt spinn), så att det totala magnetfältet försvinner. Detta i motsats till en ferromagnetisk skara atomer, där alla atomer har samma riktning och får ett väldigt starkt gemensamt fält, vilket är vad som ger upphov till de starka magnetfält vi märker till vardags, i exempelvis traditionella hårddiskar, kylskåpsmagneter eller kompasser. När atomerna är antiferromagnetiskt arrangerade kan de placeras tätt ihop utan att störa varandra. Med tolv atomer per bit skulle en teoretisk hårddisk tillverkad med tekniken kunna rymma 400 terabyte.

Även om tekniken bevisligen är klar för att göra kortfilmer kommer det dröja länge innan vi får se någonting liknande för lagring i konsumentprodukter. Systemet är väldigt känsligt för andra partiklar och måste skyddas från i stort sett all extern stråling, så det krävs i dagsläget en temperatur på 1 Kelvin (-272 grader Celsius), det vill säga en grad över den absoluta nollpunkten.

Andreas Heinrich på IBM Research uppskattar att ungefär 150 atomer skulle krävas per bit om samma teknik skulle kunna användas i rumstemperatur, vilket fortfarande är betydligt mindre än den ungefärliga miljon atomer som används per bit i en traditionell hårddisk. Tillverkningskostnaden och den komplicerade tillverkningsprocessen sätter dock den största käppen i hjulet. Men med eller utan framtida superhårddiskar är “A Boy and His Atom” ett underhållande exempel på graden till vilken vi idag kan manipulera materia även på den minsta av skalor.

En sammanfattning av arbetet bakom filmen finns på IBMs hemsida, samt i en pressrelease här.

Relaterade nyheter:

• IBM-forskare styr kretsar med jonströmmar