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2007年9月1日，IBM公司的科学家们在美国《科学》杂志宣布了两项原子尺度的科学突破：第一项是在了解单个原子保持一定的磁方向、从而使其具备适合未来数据存储应用的能力方面所迈出的重要一步；第二项是一个分子内不同原子之间及不同分子彼此之间的一个逻辑开关，它们是分子计算机的潜在构造单元。这两项重大突破为研制原子尺度的结构和装置奠定了基础。
虽然这两项突破性研究成果的最终应用与实践还将有很长的路要走，但它却可以促进IBM公司及其他研究机构的科学家继续推动纳米领域技术的发展，即探索如何利用只有几个原子或分子的超小型部件来制造结构和装置。这样的装置在未来也许可以用作计算机芯片、存储装置和传感器。
微观世界的科学：了解原子的磁性
你能设想将3万部电影或整个YouTube网站的内容放进iPod大小的装置中马？纳米技术可以实现这个梦想。要让纳米技术发挥威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要处理大小只有一根头发丝宽度的几万分之一的粒子却并非易事。
在第一篇研究报告中，美国加州圣何塞市IBM公司阿尔马登研究中心的科学家们在探索单个原子“磁各向异性”特性方面取得了重大科学进展。他们用IBM低温扫描隧道显微镜（STM）对单个铁原子进行控制并观察将他们以原子等级的精度排列在一个特制的铜表面上的情况。在此基础上，他们确定了各个铁原子的磁各向异性的取向和强度。在这一研究成果公布之前，人们一直无法测定单独一个原子的“磁各向异性”，而原子的这一基本属性可以决定其存储信息的能力，因此具有非常重要的技术意义。
这一突破还可能导致体积非常小的新型结构和装置的问世，并可应用于传统计算之外的全新领域和学科。“IT行业今天所面临的主要挑战之一是如何将数据存储的数位尽可能的缩小，同时增加存储容量，” IBM公司阿尔马登研究中心负责科学技术工作的经理Gian-Luca Bona说，“我们的研究工作处于最前沿领域，而且我们现在距离弄清怎样在原子尺度上来存储数据已经更近一步了。了解原子的特定磁性能是寻找新的、更有效的数据存储方式的基础。”
超小型装置: 单分子逻辑开关
在第二篇研究报告中，瑞士IBM苏黎世研究实验室的科学家们描述了第一个单分子开关，它能够在不破坏分子外框架的同时进行准确无误的操作。这是朝着制造比今天的计算机芯片和记忆装置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的计算元件方向上所迈出的重要一步。
除了在一个分子内进行切换（开关）外，研究人员还演示了一个分子内的原子如何与相邻分子中的原子进行切换，这实际上就构成了一个基础逻辑元件。这种切换之所以成为可能，部分原因是分子框架没有被破坏。
计算机芯片内的开关与光开关的作用方式一样，用来打开和关闭电子流并将它们放到一起，构成逻辑门，即构成计算机处理器的电路。开关尺寸越小，电路尺寸也就相应的小，从而有可能将更多的电路集成到一个处理器上，同时还可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他机构的研究人员曾经尝试过在单个分子内进行开关，但这些分子在开关时会改变形状，从而不适合构造计算机芯片或记忆元件的逻辑门。
传统基于硅的CMOS芯片的开发正在接近其物理极限，因此目前IT行业正在探索新的、真正具有突破性的技术，以进一步提高计算机的性能。模块化分子逻辑是一个可能的候选方案，虽然将其应用于具体实践仍然还需要几年时间。
IBM单原子数据存储的构造单元：图1释为一个铁原子的优先磁取向排列在一个专门的铜表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以确定存储数据时的原子适用性。当一个原子的多个磁自旋点在一个方向时，它可以代表“1”，而在另一个方向时，则代表“0”，这表明单原子可以适用于比特这样的1或0的二进制值运算方法，并把信息存入计算装置。这即是原子存储的一个潜在构造单元。
此三维图示（图2）为被低温扫描隧道显微镜尖端探测到的两个萘酞菁分子的一个分子逻辑门。通过引导一个电压脉冲通过分子的上下两个尖端，在邻近的分子（分子中心的白色物体）内的两个氢原子改变位置，靠电力控制整个分子的开关。这就构成了一个基础逻辑门，它也是电脑芯片的基本组成部分，它可以由分子组件作为计算机的结构单元。
IBM单原子数据存储的构造单元：图3释为一个铁原子的优先磁取向排列在一个专门的铜表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以确定存储数据时的原子适用性。当一个原子的多个磁自旋点在一个方向时，它可以代表“1”，而在另一个方向时，则代表“0”，这表明单原子可以适用于比特这样的1或0的二进制值运算方法，并把信息存入计算装置。这即是原子存储的一个潜在构造单元。
即使当今存储密度最高的硬盘，要想保存一比特的信息也需要大约100万个磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已经成功地在一个单独的原子上保存了一比特信息。
与此同时，IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关，有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。
IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存储设备，至少相当于目前硬盘的1000倍，可以在一部iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。
IBM Almaden研究中心扫描隧道显微镜实验室主管Andreas Heinrich介绍说：“我们已经可以测量出单个磁原子具有同样的(磁各向异性)属性，然后让另一个原子靠近它，看看对(第一个原子的)磁各向异性有何影响，由此开发出一种具备超高存储密度的新型材料。”
接下来，IBM将在室温条件下测量不同类型原子的磁各向异性，以求获得一种稳定的高密度存储材料，用于生产商用硬盘产品。IBM科学家Cyrus Hirjibehedin表示：“我们的下一步行动就是研究如何让一种特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力维持磁性取向，并且能够在不同状态之间转换，然后我们就能使之飞快旋转。我们希望能在未来几年内展示这种稳定的媒介材料。”
纳米技术主要在于研究分子结构，将电子电路微小化，并改善半导体制程中各项设备所需的微小组件，为当前科技界公认最具前瞻性的研究领域。
IBM认为，未来数10年，这些厚度仅有人类毛发万分之一的纳米管是最有可能取代硅元素，用于先进芯片的制造。多年来，处理器、内存和其它芯片的制造都以硅为基本原料，但预期10年内就会因体积无法进一步缩小而达到极限。
碳纳米管是以石墨的平面组织卷成管状而成。石墨原为低价平凡的材料，但若藉由先进的技术予以加工，即摇身一变成为纳米技术的新宠，而且价值非凡。
由于纳米原料能为处理器提供较小且更多的导电区块，许多研发人员将之视为半导体革新的关键。
虽然这两项突破性研究成果的最终应用与实践还将有很长的路要走，但它却可以促进IBM公司及其他研究机构的科学家继续推动纳米领域技术的发展。
虽然这两项突破性研究成果的最终应用与实践还将有很长的路要走，但它却可以促进IBM公司及其他研究机构的科学家继续推动纳米领域技术的发展，即探索如何利用只有几个原子或分子的超小型部件来制造结构和装置。这样的装置在未来也许可以用作计算机芯片、存储装置和传感器。
微观世界的科学：了解原子的磁性
你能设想将3万部电影或整个YouTube网站的内容放进iPod大小的装置中马？纳米技术可以实现这个梦想。要让纳米技术发挥威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要处理大小只有一根头发丝宽度的几万分之一的粒子却并非易事。
在第一篇研究报告中，美国加州圣何塞市IBM公司阿尔马登研究中心的科学家们在探索单个原子“磁各向异性”特性方面取得了重大科学进展。他们用IBM低温扫描隧道显微镜（STM）对单个铁原子进行控制并观察将他们以原子等级的精度排列在一个特制的铜表面上的情况。在此基础上，他们确定了各个铁原子的磁各向异性的取向和强度。在这一研究成果公布之前，人们一直无法测定单独一个原子的“磁各向异性”，而原子的这一基本属性可以决定其存储信息的能力，因此具有非常重要的技术意义。
这一突破还可能导致体积非常小的新型结构和装置的问世，并可应用于传统计算之外的全新领域和学科。“IT行业今天所面临的主要挑战之一是如何将数据存储的数位尽可能的缩小，同时增加存储容量，” IBM公司阿尔马登研究中心负责科学技术工作的经理Gian-Luca Bona说，“我们的研究工作处于最前沿领域，而且我们现在距离弄清怎样在原子尺度上来存储数据已经更近一步了。了解原子的特定磁性能是寻找新的、更有效的数据存储方式的基础。”
超小型装置: 单分子逻辑开关
在第二篇研究报告中，瑞士IBM苏黎世研究实验室的科学家们描述了第一个单分子开关，它能够在不破坏分子外框架的同时进行准确无误的操作。这是朝着制造比今天的计算机芯片和记忆装置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的计算元件方向上所迈出的重要一步。
除了在一个分子内进行切换（开关）外，研究人员还演示了一个分子内的原子如何与相邻分子中的原子进行切换，这实际上就构成了一个基础逻辑元件。这种切换之所以成为可能，部分原因是分子框架没有被破坏。
计算机芯片内的开关与光开关的作用方式一样，用来打开和关闭电子流并将它们放到一起，构成逻辑门，即构成计算机处理器的电路。开关尺寸越小，电路尺寸也就相应的小，从而有可能将更多的电路集成到一个处理器上，同时还可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他机构的研究人员曾经尝试过在单个分子内进行开关，但这些分子在开关时会改变形状，从而不适合构造计算机芯片或记忆元件的逻辑门。
传统基于硅的CMOS芯片的开发正在接近其物理极限，因此目前IT行业正在探索新的、真正具有突破性的技术，以进一步提高计算机的性能。模块化分子逻辑是一个可能的候选方案，虽然将其应用于具体实践仍然还需要几年时间。
IBM单原子数据存储的构造单元：图1释为一个铁原子的优先磁取向排列在一个专门的铜表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以确定存储数据时的原子适用性。当一个原子的多个磁自旋点在一个方向时，它可以代表“1”，而在另一个方向时，则代表“0”，这表明单原子可以适用于比特这样的1或0的二进制值运算方法，并把信息存入计算装置。这即是原子存储的一个潜在构造单元。
此三维图示（图2）为被低温扫描隧道显微镜尖端探测到的两个萘酞菁分子的一个分子逻辑门。通过引导一个电压脉冲通过分子的上下两个尖端，在邻近的分子（分子中心的白色物体）内的两个氢原子改变位置，靠电力控制整个分子的开关。这就构成了一个基础逻辑门，它也是电脑芯片的基本组成部分，它可以由分子组件作为计算机的结构单元。
IBM单原子数据存储的构造单元：图3释为一个铁原子的优先磁取向排列在一个专门的铜表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以确定存储数据时的原子适用性。当一个原子的多个磁自旋点在一个方向时，它可以代表“1”，而在另一个方向时，则代表“0”，这表明单原子可以适用于比特这样的1或0的二进制值运算方法，并把信息存入计算装置。这即是原子存储的一个潜在构造单元。
即使当今存储密度最高的硬盘，要想保存一比特的信息也需要大约100万个磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已经成功地在一个单独的原子上保存了一比特信息。
与此同时，IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关，有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。
IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存储设备，至少相当于目前硬盘的1000倍，可以在一部iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。
IBM Almaden研究中心扫描隧道显微镜实验室主管Andreas Heinrich介绍说：“我们已经可以测量出单个磁原子具有同样的(磁各向异性)属性，然后让另一个原子靠近它，看看对(第一个原子的)磁各向异性有何影响，由此开发出一种具备超高存储密度的新型材料。”
接下来，IBM将在室温条件下测量不同类型原子的磁各向异性，以求获得一种稳定的高密度存储材料，用于生产商用硬盘产品。IBM科学家Cyrus Hirjibehedin表示：“我们的下一步行动就是研究如何让一种特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力维持磁性取向，并且能够在不同状态之间转换，然后我们就能使之飞快旋转。我们希望能在未来几年内展示这种稳定的媒介材料。”
纳米技术主要在于研究分子结构，将电子电路微小化，并改善半导体制程中各项设备所需的微小组件，为当前科技界公认最具前瞻性的研究领域。
IBM认为，未来数10年，这些厚度仅有人类毛发万分之一的纳米管是最有可能取代硅元素，用于先进芯片的制造。多年来，处理器、内存和其它芯片的制造都以硅为基本原料，但预期10年内就会因体积无法进一步缩小而达到极限。
碳纳米管是以石墨的平面组织卷成管状而成。石墨原为低价平凡的材料，但若藉由先进的技术予以加工，即摇身一变成为纳米技术的新宠，而且价值非凡。
由于纳米原料能为处理器提供较小且更多的导电区块，许多研发人员将之视为半导体革新的关键。
虽然这两项突破性研究成果的最终应用与实践还将有很长的路要走，但它却可以促进IBM公司及其他研究机构的科学家继续推动纳米领域技术的发展。