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(gè)名為Atom的角色將一個(gè)原子當(dāng)成朋友，踏上了一段充滿樂(lè)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(gè)名為Atom的角色將一個(gè)原子當(dāng)成朋友，踏上了一段充滿樂(lè)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(lè)，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(shuō)：“通過(guò)揮手，人們就可以制造原子的運(yùn)動(dòng)。而通過(guò)捕捉、定位和塑形原子，并在原子量級(jí)制作原創(chuàng)電影是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，同時(shí)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(jí)世界的有趣方式，向普通人展示了科學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)和樂(lè)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(dòng)原子。IBM研究院研究科學(xué)家克里斯托弗-盧茨(Christopher Lutz)說(shuō)：“這個(gè)曾經(jīng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的工具有史以來(lái)第一次使科學(xué)家能夠以單個(gè)原子的形式展現(xiàn)世界。這個(gè)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(guò)1億倍。精確控制溫度、壓力和震動(dòng)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(dòng)原子的地方之一。”

　　IBM研究員在一臺(tái)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(gè)超鋒利的針頭沿著一個(gè)銅表面來(lái)“感覺(jué)”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(dòng)的原子發(fā)出獨(dú)特的聲音，這是確定原子到底移動(dòng)了多少個(gè)位置的關(guān)鍵反饋信息。

　　在制作電影時(shí)，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(gè)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(duì)IBM來(lái)說(shuō)并不是全新的創(chuàng)意。幾十年來(lái)，IBM研究院的科學(xué)家一直在納米級(jí)對(duì)材料進(jìn)行研究，努力探索數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等的極限。

　　隨著計(jì)算機(jī)電路向原子量級(jí)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(duì)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(shí)別出全新的計(jì)算路徑。

　　借助工程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備所用的最小物體單個(gè)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(chǔ)一位(bit，比特)磁信息需要多少個(gè)原子的問(wèn)題：12個(gè)。通過(guò)對(duì)比得知，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)或電子設(shè)備上存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)需要大約100萬(wàn)個(gè)原子。如果這種原子級(jí)的存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用，這種原子存儲(chǔ)器有朝一日能夠?qū)⒂惺芬詠?lái)所有的影片存儲(chǔ)在一個(gè)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(chǔ)占有的空間需要進(jìn)一步縮小，一直縮減到原子級(jí)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(shí)以替代方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。”

　　電影制作的背后：掃描式隧道顯微鏡

　　自從第一臺(tái)顯微鏡被發(fā)明以來(lái)，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(duì)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(kāi)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(jiǎng)，并且被廣泛認(rèn)為是打開(kāi)納米技術(shù)和在多個(gè)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(kāi)發(fā)的。通過(guò) 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(duì)原子表面的研究— 由于表面的獨(dú)特特征，這是一個(gè)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(méi)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(zhǎng)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(wú)法清晰地觀察單個(gè)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(jí)觀察并處理原子。為了做到這一點(diǎn)，他們開(kāi)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(gè)表面接近時(shí)，其原子云疊加到上面，并發(fā)生原子交換。

　　通過(guò)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(cè)量出來(lái)。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(guò)這些信息，我們可以建立樣本表面的三維原子級(jí)地圖。

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

　　在設(shè)計(jì) STM 的前幾個(gè)月內(nèi)，兩位發(fā)明人必須對(duì)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(jí)的測(cè)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(dòng);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(gè)原子高度分隔開(kāi)的大平臺(tái)。據(jù) Binnig 在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)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(gè)全新的世界。”

　　經(jīng)過(guò)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(jiǎng)都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到了 Binnig 和 Rohrer 的發(fā)明的重要意義，他們有史以來(lái)第一次能夠了解納米級(jí)世界的每個(gè)原子和分子。