世界上最小的電影

　　全球最小電影是由IBM利用原子制作出的，《A Boy and His Atom》刻畫了一個名為Atom的角色將一個原子當(dāng)成朋友，踏上了一段充滿樂趣的旅程。下面小編就為大家介紹一下這一部電影。

　　《A Boy and His Atom》的基本信息

　　IBM利用原子制作世界最小電影,《A Boy and His Atom》刻畫了一個名為Atom的角色將一個原子當(dāng)成朋友，踏上了一段充滿樂趣的旅程，包括跳舞、玩接球游戲和跳蹦床。影片配以了活潑的背景音樂，以一種非研究的獨(dú)特方式，傳達(dá)科學(xué)概念，并展現(xiàn)了科學(xué)世界的魅力。

　　IBM研究院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人安得利斯-海恩瑞希(Andreas Heinrich)說：“通過揮手，人們就可以制造原子的運(yùn)動。而通過捕捉、定位和塑形原子，并在原子量級制作原創(chuàng)電影是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，同時也是一種全新的方法。IBM研究員并不僅僅是解析科學(xué)，而且親身實(shí)踐。該影片是分享原子級世界的有趣方式，向普通人展示了科學(xué)帶來的挑戰(zhàn)和樂趣。”

　　《A Boy and His Atom》的電影制作

　　為了制作電影，科學(xué)家們采用了IBM發(fā)明的掃描式隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)移動原子。IBM研究院研究科學(xué)家克里斯托弗-盧茨(Christopher Lutz)說：“這個曾經(jīng)獲得諾貝爾獎的工具有史以來第一次使科學(xué)家能夠以單個原子的形式展現(xiàn)世界。這個設(shè)備重達(dá)兩噸，在零下268攝氏度下工作，并將原子表面放大超過1億倍。精確控制溫度、壓力和震動的能力使我們的IBM研究院實(shí)驗(yàn)室成為世界上為數(shù)不多的能夠如此精確地移動原子的地方之一。”

　　IBM研究員在一臺標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上采用遠(yuǎn)程操作的方式，使用STM控制一個超鋒利的針頭沿著一個銅表面來“感覺”原子行進(jìn)。針頭距表面僅有1納米，即一米的十億分之一，可以真正地吸引表面的原子和分子，從而精確地將它們放入表面上的指定位置。移動的原子發(fā)出獨(dú)特的聲音，這是確定原子到底移動了多少個位置的關(guān)鍵反饋信息。

　　在制作電影時，科學(xué)家們形成了單獨(dú)排列的原子的靜態(tài)圖像，共計(jì)242個單幀。

　　《A Boy and His Atom》操作原子

　　“收納”大數(shù)據(jù)的需求

　　制作世界上最小的電影對IBM來說并不是全新的創(chuàng)意。幾十年來，IBM研究院的科學(xué)家一直在納米級對材料進(jìn)行研究，努力探索數(shù)據(jù)存儲等的極限。

　　隨著計(jì)算機(jī)電路向原子量級尺寸縮減，根據(jù)摩爾定律發(fā)展了幾十年之后，芯片設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)接近了物理極限。原子具有良好控制的表面，對于原子磁性和屬性的非常規(guī)方法的探索使IBM科學(xué)家能夠識別出全新的計(jì)算路徑。

　　借助工程數(shù)據(jù)存儲設(shè)備所用的最小物體單個原子，制作該影片的IBM研究員還創(chuàng)建了世界上最小的磁位。他們最先回答了可靠地存儲一位(bit，比特)磁信息需要多少個原子的問題：12個。通過對比得知，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)或電子設(shè)備上存儲一位數(shù)據(jù)需要大約100萬個原子。如果這種原子級的存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用，這種原子存儲器有朝一日能夠?qū)⒂惺芬詠硭械挠捌鎯υ谝粋€指甲蓋大小的設(shè)備中。

　　海恩瑞希(Heinrich)表示：“該研究指向全新的方向，即探索超越短期工程性解決方案的前瞻性命題。隨著數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和消耗量日益增大，數(shù)據(jù)存儲占有的空間需要進(jìn)一步縮小，一直縮減到原子級別。我們正利用這些技術(shù)提出新的計(jì)算架構(gòu)，以及在制作本部電影時以替代方式存儲數(shù)據(jù)。”

　　電影制作的背后：掃描式隧道顯微鏡

　　自從第一臺顯微鏡被發(fā)明以來，世界各地的研究人員和科學(xué)家不斷尋找新的方式，力求進(jìn)一步加深對于微觀世界的了解。1981 年，IBM 公司的兩位研究人員 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 發(fā)明了掃描式隧道顯微鏡(STM)，開辟了微觀科學(xué)的新天地。

　　Binnig 和 Rohrer 前所未有的發(fā)明使科學(xué)家能夠觀察由分子和原子組成的世界。STM 在 1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，并且被廣泛認(rèn)為是打開納米技術(shù)和在多個領(lǐng)域中廣泛探索的大門，包括電化學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)和分子生物學(xué)。

　　STM 是由兩位希望進(jìn)一步拓寬科研邊界的科學(xué)家合作開發(fā)的。通過 20世紀(jì) 70年代末在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室共同合作，Binnig 和 Rohrer 憑借在超導(dǎo)性研究領(lǐng)域的背景，都熱衷于對原子表面的研究— 由于表面的獨(dú)特特征，這是一個極為復(fù)雜而且讓科學(xué)家感到困惑的主題。但是，他們的探索受到了現(xiàn)有工具狀態(tài)的限制。沒有一種技術(shù)允許科學(xué)家直接探索表面的電 子結(jié)構(gòu)和缺陷。

　　普通的顯微鏡采用光學(xué)鏡頭，可以觀察比光波長還要小的物體。電子顯微鏡可以觀察更小的物體，而清晰度高于光學(xué)顯微鏡，但仍無法清晰地觀察單個原子。

　　于是，Binnig 和 Rohrer 決定設(shè)計(jì)出自己的儀器 – 能夠在納米級觀察并處理原子。為了做到這一點(diǎn)，他們開始試驗(yàn)隧道方法，這是一種量子現(xiàn)象，即原子從固體表面脫離，形成一種籠罩在表面的云;在另一個表面接近時，其原子云疊加到上面，并發(fā)生原子交換。

　　通過調(diào)整極短距離內(nèi)的樣本表面上的尖銳金屬導(dǎo)線，Binnig 和 Rohrer 發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線和表面之間的電流量可以測量出來。電流的變化可提供關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面的高度地形信息。通過這些信息，我們可以建立樣本表面的三維原子級地圖。

　　1979年 1月，Binnig 和 Rohrer 提交了關(guān)于STM的第一個專利申請。很快，在同事 Christoph Gerber 的幫助下，他們開始設(shè)計(jì)制造顯微鏡。

　　在設(shè)計(jì) STM 的前幾個月內(nèi)，兩位發(fā)明人必須對原始設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列調(diào)整，以準(zhǔn)確地產(chǎn)生如此微小量級的測量結(jié)果。這些更改減少了變化和噪聲;更準(zhǔn)確地控制掃描導(dǎo)線的位置和移動;并且提高了探針導(dǎo)線本身的銳度。

　　他們的第一次試驗(yàn)是采用金晶體的表面結(jié)構(gòu)。最終的圖像顯示了各行間隔精確的原子和由一個原子高度分隔開的大平臺。據(jù) Binnig 在諾貝爾獎頒獎儀式上關(guān)于最初試驗(yàn)的講座中談到，“我目不轉(zhuǎn)睛地盯著圖像。我進(jìn)入了一個全新的世界。”

　　經(jīng)過多顯微鏡的多次調(diào)整，其機(jī)械設(shè)計(jì)的精度大大提高，而且圖像也更加清晰。很快，全世界的科學(xué)獎都開始認(rèn)識到了 Binnig 和 Rohrer 的發(fā)明的重要意義，他們有史以來第一次能夠了解納米級世界的每個原子和分子。