Omdat computers niet echt veel sneller meer worden en veel energie gebruiken, zoeken onderzoekers naar nieuwe strategieën om informatie op een efficiënte manier op te slaan. Een optie is om informatie op te slaan op het kleinste deeltje op aarde: een enkel atoom. ‘Computers hebben fundamentele beperkingen wat betreft snelheid, waardoor er veel vraag is naar alternatieve materialen. Moderne computers gebruiken bovendien veel elektriciteit – op dit moment meer dan 5 procent van al het elektriciteitsverbruik -, daar moet winst te behalen zijn. We focussen ons op een basisonderdeel van moderne computers: het geheugen. Daarvoor gebruiken we atomen; het zijn de kleinste deeltjes op aarde en tegelijkertijd komen we meer te weten over hoe zij zich gedragen. Onze vraag was: hoe kunnen we informatie opslaan in één atoom en hoe stabiel kunnen we die opslag maken?’, legt eerste auteur Brian Kiraly (van de Scanning Probe Microscopy onderzoeksgroep) uit.

Op het niveau van één enkel atoom blijven atomen die magnetisch zijn niet langer stabiel. Alexander Khajetoorians, hoogleraar Scanning Probe Microscopy: ‘Dan beginnen de noord- en zuidpool van het atoom te draaien; ze weten niet meer in welke richting ze moeten wijzen omdat ze extreem gevoelig voor hun omgeving worden. Als je informatie op een atoom op wil slaan, moet het atoom stoppen met draaien. Wetenschappers hebben zich de afgelopen tien jaar afgevraagd hoe ze kunnen voorkomen dat het atoom draait en hoe lang het atoom informatie kan opslaan voordat het weer omdraait. Onderzoekers in Lausanne en van IBM Almaden ontdekten hoe ze het draaien kunnen stoppen, maar deze techniek werkt alleen bij zeer lage temperaturen: 40 Kelvin of -233 graden Celsius.’

Om het draaiprobleem op te lossen, pakten onderzoekers van de Radboud Universiteit het anders aan. Door een speciaal materiaal – halfgeleidend zwarte fosfor – als ondergrond te gebruiken, ontdekten zij een nieuwe manier om informatie op te slaan in een kobaltatoom. Met een zeer gevoelige microscoop (scanning tunneling microscope) konden zij kobaltatomen op het oppervlak van de zwarte fosfor ‘zien’. Vanwege de extreem hoge resolutie en de speciale eigenschappen van het materiaal, konden ze ervoor zorgen dat de kobaltatomen in twee toestanden (de 0 en 1 toestand) bleven.

De elektronen in een atoom draaien in een baan rondom de nucleus, maar draaien zelf ook, zoals de aarde om de zon draait maar ook om haar eigen as. Door de totale hoeveelheid draaiing, of draaiimpuls, ontstaat magnetisme. Kiraly: ‘Wij hebben een manier ontdekt om een verschil in energie tussen de elektronenbanen van het kobaltatoom te creëren. We gebruiken de draaiimpuls van de banen waarin de elektronen om de nucleus draaien voor atomisch geheugen. Die heeft een veel hogere energiebarrière en kan er mogelijk ook voor zorgen dat het geheugen van het atoom stabiel is bij kamertemperatuur. Het blijft een magneet met een draaiimpuls, maar we kunnen de 0 en 1 toestand beheersen, waardoor ze veel stabieler zijn dan andere magneten.’

‘Toen we dit experiment uitvoerden en het switchen van de ene naar de andere toestand zagen, wisten we eigenlijk niet wat er gaande was. Door een mooie samenwerking met theoretici van de Radboud Universiteit, Misha Katsnelson en Sasha Rudenko, konden we aantonen dat het het draaiimpuls van de banen was en dat we een nieuw geheugen hadden gemaakt’, voegt Khajetoorians toe.

Op dit moment zijn de elementen die informatie op harde schijven opslaan nog duizendmaal groter dan een atoom. Khajetoorians: ‘Als we een echte harde schijf van al deze atomen zouden kunnen maken – en daar zijn we nog ver van verwijderd – dan kun je dus duizendmaal meer informatie opslaan dan op de huidige harde schijven.’

Bron:

Brian Kiraly, Alexander N.Rudenko, Werner M.J.van Weerdenburg, Daniel Wegner, Mikhail I. Katsnelson & Alexander A. Khajetoorians. An orbitally derived single-atom magnetic memory. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06337-4

Leave comment

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.