Informatie opslaan in één atoom

"‘Computers hebben fundamentele beperkingen wat betreft snelheid, waardoor er veel vraag is naar alternatieve materialen", zegt eerste auteur Brian Kiraly. "Moderne computers gebruiken bovendien veel elektriciteit – op dit moment meer dan 5% van al het elektriciteitsverbruik – dus daar moet winst te behalen zijn. We focussen ons op een basisonderdeel van moderne computers: het geheugen. Daarvoor gebruiken we atomen; zo komen we ook 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?"

Stop met draaien!

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° Celsius."

De onderzoekers van de Radboud Universiteit gebruiken halfgeleidend zwarte fosfor als ondergrond en ontdekten de nieuwe manier om informatie op te slaan in een kobaltatoom. Met een scanning tunneling microscope konden ze 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.

Hogere stabiliteit dan huidige magneten

De elektronen in een atoom draaien in een baan rondom de nucleus, maar draaien zelf ook. Door de totale hoeveelheid draaiing ontstaat magnetisme. Kiraly: "Wij hebben een manier ontdekt om een verschil in energie tussen de elektronenbanen van het kobaltatoom te creëren. We gebruiken de draai-impuls 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 draai-impuls, maar we kunnen de 0 en 1 toestand beheersen, waardoor ze veel stabieler zijn dan andere magneten."

Duizendmaal meer informatie

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."