Вченим вдалося створити систему з одного атома заліза на підкладці, в якій можна керувати орбітальним моментом атома і збудженням його спинових станів незалежно один від одного. Для управління системою дослідники використовували голку скануючого тунельного мікроскопа, при взаємодії якої з атомом відбувався переворот його орбітального моменту без збудження спинових станів. У таких умовах у атома виявилося два ступені свободи, пов'язаних з магнітним полем, що в майбутньому може бути використано для створення особливо ємних систем зберігання інформації з щільністю запису два біти на один атом. Стаття опублікована в журналі.
Зменшення розміру одного біта до масштабів атома дозволило б вміщати величезні масиви даних у вкрай невеликих носіях. Потенційно такі системи можна створити з використанням керованих магнітним полем спинів окремих атомів S - векторних сум власних моментів імпульсу елементарних частинок, що входять до їх складу. В якості біта в таких системах вибирають саме спинові стани, тому що орбітальний момент кожного атома L (його момент імпульсу як цілого) в реальних зразках придушується через сукупність спін-орбітальної взаємодії і кристалічного поля.
Але навіть у випадку, коли L атома в такій системі не дорівнює нулю, спін-орбітальна взаємодія призводить до зв'язку L і S в суперпозицію, в якій зберігається лише повний момент імпульсу системи L + S, а незалежні збудження L і S неможливі. Для зберігання інформації в орбітальному стані атома, в свою чергу, потрібно вміти зберігати L і мати можливість керувати ним, не впливаючи на спинові стани. Тоді спиновий і орбітальний статки можуть грати роль нулів і одиниць, а сам атом міг би виступати як носій інформації в розмірі двох біт, кожен з яких відповідає одному ступеня свободи системи (по одному биту на спин і орбітальний момент).
Саме таку систему з одного атома, в якому можна незалежно один від одного збуджувати спинові та орбітальні стани, вдалося створити Расу Реджалі (Rasa Rejali) з Делфтського технічного університету. Для цього фізик з колегами помістили одиночний атом заліза над магнітно-нейтральним атомом азоту в складі підкладки з Cu2N, тим самим отримавши систему з практично вільними орбітальним моментом і спином. Вивчати атом і маніпулювати ним фізикам дозволяла голка скануючого електронного мікроскопа.
Орбітальний стан одиночного атома заліза також змінювався за допомогою скануючого тунельного мікроскопа в процесі, схожим на ефект Ейнштейна - де Хааза: орбітальний момент перевертався при несправжньому тунелюванні електрону між атомом і голкою пристрою. Необхідне для спостереження ефекту положення атомів у просторі вчені вирахували за допомогою теорії функціональної щільності. Аналізуючи спектр диференційної провідності системи у зовнішньому магнітному полі, фізики показали, що в атомі незалежно одна від одної відбувалися зміни орбітального моменту атома.
Автори зазначають, що запропонований ними спосіб незалежної зміни орбітальних і спинових станів одиночного атома ще далекий від практичної реалізації. Проте схожість природи спинових і орбітальних станів дає надію на те, що в майбутньому орбітальним моментом атомів можна буде керувати так само просто, як зараз - спинами. У цьому випадку цілком реальними можуть стати носії інформації, в яких кожен атом виступатиме в ролі не одного, а двох битів, що ще сильніше збільшить потенційно максимальну щільність запису даних.
Раніше ми вже розповідали про те, як фізики навчилися записувати інформацію з щільністю в один біт на кілька атомів хлору. Пізніше дослідники поліпшили цей показник до максимального (як тоді здавалося) значення в один біт на один атом.