Los lectores de este blog conocen bien la historia: en 1959 el genial físico norteamericano Richard Feynman impartío una charla visionaria sobre un campo de investigación que entonces no existía y que hoy llamamos nanociencia. Feynman predijo que sería posible guardar una cantidad descomunal de información en un espacio reducido si fuésemos capaces de desarrollar la tecnología para leer y a escribir la información a pequeña escala.
En su charla, titulada "hay mucho sitio al fondo" (There is plenty of Room at the Bottom), Feynman se preguntó si sería posible almacenar toda la enciclopedia británica en la cabeza de un alfiler. Para ello el tamaño de cada letra debería ser 25 mil veces menor que el de la letra impresa en un periódico. Así, los pequeños puntitos de los con los que están escritas las letras deberían tener un diámetro de unos 32 átomos.
Feynman fue más lejos, y dijo que "no temía considerar si, finalmente, en el futuro lejano, podríamos manipular los átomos a voluntad; los mismos átomos... ¿Qué pasaría si pudiéramos ordenar los átomos, uno a uno, en la forma que queramos?". La invención del microscopio de efecto túnel por parte de Gerd Binnig y Heinrich Rohrer , hizo posible observar y manipular los átomos, uno a uno. En 1989 Don Eigler y Erhard K. Schweizer construyeron la primera estructura artificial ensamblando átomos. Para ello, escribieron las letras "IBM", con 35 átomos de xenon depositados en una superficie de níquel. Se llevaban a cabo dos de los sueños de Feynman: usar átomos individuales como pixels para escribir las letras, y "ordenar los átomos uno a uno".
A aquel experimento pionero le siguieron muchos otros, demostrando la capacidad para fabricar pequeñas estructuras, moviendo átomos de uno en uno con un microscopio de efecto túnel, encima de una superficie. Dada la naturaleza del método, relativamente artesanal, las estructuras más grandes así fabricadas tienen menos de mil átomos, la mayoría de las veces menos de 10, y nadie había escrito un texto mucho más largo que "IBM".
A final de 2015 me contactó mi colega de TU Delft, Sander Otte, para decirme que habían descubierto un sistema en el que era particularmente fácil manipular los átomos. Se trataba de cloro depositado en una superficie de cobre. En esta superficie, los átomos de cloro se disponen formando una red cuadrada. Sin embargo, esta red bi-dimensional no es perfecta, ya que en algunos sitios de la red faltan átomos. Estas "vacantes" son particularmente estables. A diferencia de un átomo sobrante en una superficie, como los átomos de xenon en el níquel usados para escribir "IBM", que se mueven por la superficie en cuanto ésta se calienta unos pocos grados por encima del cero absoluto, las vacantes de cloro se quedan quietas durante horas incluso a temperaturas bastante mayores (77 Kelvin). Por otro lado, el grupo de Sander descubrió que era relativamente fácil mover a voluntad las vacantes, aplicándoles pulsos eléctricos con el microscopio de efecto túnel. Tenían por tanto el sistema ideal para hacer grabados atómicos en una superficie. ¿Qué hacer con él?.
Mis colegas se dieron cuenta de que el sistema era perfecto para leer y escribir "bits", la unidad básica de información digital. Dada una pareja de sitios de la red cuadrada, en los que hay un átomo de cloro y una vacante, la posición de la vacante define un bit. Si está arriba, tenemos un '0', y si está abajo un '1'. En la figura vemos 1 byte, o sea 8 bits, construidos usando este principio, separados por columnas con 2 átomos de cloro (puntos azul claro).
Así, en lugar de grabar letras, podíamos grabar información digital con una densidad (cantidad de bits por área) 500 veces mayor que la de los discos duros más avanzados. Usando el código ascii, discutido hace unos meses en el blog, mis colegas de Delft se se propusieron escribir el primer kilobyte hecho con bits de tamaño atómico, es decir, 1016 bytes, o 8128 bits, que en este caso quiere decir 8128 vacantes colocadas "en la forma que queramos". La elección del texto más adecuado para escribir el primer kilobyte atómico constituyó nuestro pequeño homenaje a Feynman, extraído de There is plenty of Room at the Bottom:
"But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately – in the great future – we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example).
Up to now, we have been content to dig in the ground to find minerals. We heat them and we do things on a large scale with them, and we hope to get a pure substance with just so much impurity, and so on. But we must always accept some atomic arrangement that nature gives us. We haven't got anything, say, with a "checkerboard" arrangement, with the impurity atoms exactly arranged 1,000 angstroms apart, or in some other particular pattern".
Escrito átomo a átomo, tiene esta pinta, donde cada bloque es un grupo de 8 bytes, o sea, 8 filas con 8 bits cada uno:
Este trabajo ha sido publicado en la revista Nature Nanotechnology, y ha recibido una gran atención mediática ( The Economist, Wall Street Journal, BBC, Der Spiegel, El País, El Mundo). Quiero destacar aquí los comentarios de dos colegas y amigos. Ramón Aguado, físico teórico del CSIC nos felicitó por el "ZX81", en alusión al un antiquísimo ordenador personal con una memoria de 1 kilobyte, que cayó en mis manos alguna vez. Ivan Brihuega ( profesor de la Universidad Autónoma de Madrid), que hace sus propias maravillas con el microscopio de efecto túnel, nos dijo que "Feynman habría llorado" al ver el experimento.
Quiero creer que esta historia no termina aquí. El experimento del kilobyte atómico demuestra que es posible construir circuitos operativos en el que las unidades funcionales son átomos. Por supuesto, esto está lejos de ser una tecnología, pero no puedo dejar de pensar en otra de las visiones de Feynman, los ordenadores cuánticos. Para fabricar uno, será necesario ensamblar un montón de unidades funcionales cuánticas, como por ejemplo, átomos. La posición de los átomos de cloro es una variable clásica, con lo que nuestro kilobyte es totalmente "no cuántico" (clásico, en la jerga de los físicos). Por otro lado, si en lugar de átomos de Cloro pudiéramos hacer algo parecido con átomos magnéticos, cuyo spin se comporta cuánticamente, podemos empezar a hacer ingeniería cuántica, átomo a átomo. Parece muy complicado, pero será fascinante intentarlo.
