Discos rígidos atômicos podem armazenar grandes quantidades de dados em pouco espaço físico

Pesquisadores na Holanda desenvolveram um dispositivo reutilizável de armazenamento de dados em escala atômica, capaz de guardar 500 terabits em apenas uma polegada quadrada. Isso é o suficiente para armazenar todos os livros escritos até hoje numa superfície do tamanho de um selo postal.

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O disco rígido atômico foi desenvolvido por um time liderado por Sander Otte na Delft University. O dispositivo possui densidade de armazenamento 500 vezes maior do que os HDs mais sofisticados. Com 500 terabits por polegada quadrada, ele tem o potencial de guardar todo o conteúdo da Biblioteca do Congresso dos EUA em um cubo de 0,1 mm. O novo sistema, descrito na última edição da , ainda tem um longo caminho a percorrer, mas é uma importante prova de conceito que servirá de base para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de dados em escala atômica que sejam acessíveis para o público geral. Essa não é a primeira vez que cientistas manipularam átomos individualmente. Pesquisadores usam a técnica desde o começo dos anos 1990 usando , um método bem tedioso, que exige bastante paciência e persistência. O novo sistema, mesmo que ainda seja um pouco lento, tornou as coisas bem mais fáceis. O vídeo abaixo, em inglês, ilustra a tecnologia:

Para fazê-lo funcionar, Otte e seu time colocaram átomos de cloro em uma superfície de cobre, que resultou em uma grade perfeitamente quadrada. Uma lacuna aparece na grade sempre que está faltando um átomo. Esse tipo de configuração se encaixa bem com a comutação binária — a base do armazenamento digital. Usando a agulha do microscópio, os pesquisadores conseguiram sondar os átomos um a um e até arrastar átomos individuais para uma lacuna. “A combinação de átomos de cloro com a superfície de cristais de cobre que descobrimos agora, associado com o fato de manipularmos as ‘lacunas’ — como num jogo de quebra cabeças de deslizar — torna a técnica mais confiável, reproduzível, com mais escalabilidade e que pode ser facilmente automatizada”, explicou Otte ao Gizmodo. “É como se tivéssemos inventado a imprensa de escala atômica.” A comparação com o jogo de quebra cabeças de deslizar é bem adequada. Cada bit consiste em duas posições na superfície de cobre e os átomos de cloro podem ser ajustados de um lado para o outro, entre essas duas posições. Quando o cloro de átomo está na posição de cima, e há uma lacuna embaixo, o bit é 1. Quando acontece o inverso, o bit é 0.

Cada átomo de cloro é cercado por outros átomos de cloro, o que os ajuda a se manterem no lugar, exceto perto das lacunas. Esse método é muito mais estável do que aqueles que usam átomos soltos. Usando essa técnica, os pesquisadores conseguiram escrever, ler e reescrever dados um dispositivo de um kilobyte, compreendendo 8 mil bits atômicos. É, de longe, a maior estrutura atômica já construída por humanos.

Imagem: Sander Otte et al., 2016/Nature Nanoscience

Os pesquisadores organizaram a memória em blocos de 8 bytes (64 bits). A cada um desses blocos foi atribuído um marcador. Assim como QR Codes, esses marcadores funcionam como códigos de barra que carregam informações sobre a localização precisa do bloco na camada de cobre. Os marcadores podem indicar também quando um bloco está danificado, seja por uma contaminação local ou por um erro na superfície. Isso significa que a memória pode facilmente ser ampliada, mesmo que exista deficiências na superfície. Durante o experimento, os pesquisadores preservaram as posições de mais de 8 mil ‘vagas de cloro’ — ou seja, átomos ausentes — por mais de 40 horas a temperaturas de 77 kelvin. Depois de desenvolver um alfabeto binário baseando-se nas posições das lacunas, os pesquisadores armazenaram vários textos, incluindo “There’s Plenty of Room at the Bottom” do físico Richard Feynman e o livro “A Origem das Espécies” de Charles Darwin. Esses dados foram armazenados átomo por átomo, bit por bit, na superfície da placa de cobre. As velocidades de gravação e regravação foram relativamente baixas — em escala de minutos — mas a demonstração revelou que é possível escrever, guardar e ler dados numa escala atômica de forma confiável.

Trecho do “There’s Plenty of Room at the Bottom” de Richard Feynman. Imagem: Sander Otte et al., 2016/Nature Nanoscience.

“Enquanto a capacidade de memória supera de longe as mídias atuais, a tecnologia ainda está distante em termos de velocidades de leitura e gravação” contou Otte ao Gizmodo. “Entretanto, eu não prevejo nenhuma barreira física que irá nos impedir de acelerar esse processo e chegar a velocidades similares a que vemos hoje [em discos rígidos]. Será um desafio tecnológico, é claro, mas em termos de física, deverá funcionar.” Uma ressalva importante é que esse sistema não é capaz de funcionar no dia a dia. Na forma atual, o disco rígido atômico só opera em condições de vácuo e com temperatura controlada por nitrogênio líquido, a -210°C. Otte admite que “esse tipo de armazenamento de dados ainda tem um longo caminho pela frente”, mas que “por meio dessa conquista, certamente demos um passo importante.” O fato do sistema só funcionar a temperaturas baixíssimas pode parecer desanimador, mas Otte discorda. Agora que o seu time descobriu que a combinação de cloro e cobre provê um equilíbrio em termos de estabilidade e maleabilidade, o próximo passo será procurar por átomos similares, como iodo e bromo e ver se eles são capazes de aumentar ainda mais a estabilidade e assim operar em temperaturas maiores. “Mesmo que isso não funcione, não é completamente inconcebível a ideia de ter grandes data centers com temperaturas baixíssimas” disse Otte. “Muitas máquinas de ressonância magnética em hospitais têm suas temperaturas mantidas por meio de gás hélio, então nesse sentido não é uma ideia tão extrema quanto se parece no começo.” Otte também vê a descoberta como um grande avanço na área de nanotecnologia, afirmando que é uma demonstração das nossas novas habilidades de projetar o mundo na menor escala possível. “Eu não posso, nesse momento, prever onde isso irá chegar, mas estou convencido de que será muito mais animador do que simplesmente armazenar dados” disse.

Imagem do topo: Trecho da Origem das Espécies de Charles Darwin, átomo por átomo. Sander Otte et al., 2016/Nature Nanoscience.

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