Kleinste harddisk ooit schrijft informatie atoom voor atoom
Elke dag creëert de maatschappij miljarden gigabytes aan nieuwe data. Om al die data goed te kunnen bewaren, wordt het steeds belangrijker dat elke bit informatie zo min mogelijk ruimte inneemt. Een team wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft is er in geslaagd de ultieme limiet te bereiken: ze bouwden een geheugen van 1 kilobyte (8.000 bits) waarbij elke bit bepaald wordt door de positie van slechts één enkel chlooratoom. Het onderzoek is mede gefinancierd door FOM en gepubliceerd in Nature Nanotechnology.
"In theorie zouden we met deze capaciteit alle boeken die de mensheid ooit heeft geschreven kunnen bewaren op één postzegel", stelt onderzoeksleider Sander Otte. Zijn team bereikte een opslagcapaciteit van 80 Terabits per vierkante centimeter, meer dan 500 keer beter dan de beste commerciële harddisk die momenteel te koop is.
Feynman
In 1959 daagde de beroemde natuurkundige Richard Feynman zijn collega’s al uit om apparaten te ontwerpen op de kleinst mogelijke schaal. In zijn beroemde lezing 'There’s plenty of room at the bottom’ speculeerde hij dat we ooit een materiaal zouden maken waarmee we, door de individuele atomen te herschikken, informatie per atoom konden opslaan. Als eerbetoon aan Feynman heeft het team van Otte nu een deel van zijn lezing gecodeerd op een oppervlak van slechts 100 nanometer breed.
Schuifpuzzel
Om informatie zo te kunnen opslaan, gebruikten de wetenschappers een scanning tunneling microscope (STM), waarin een scherpe naald de atomen van een oppervlak één voor één aftast. Daarmee kunnen de onderzoekers niet alleen de atomen zien, maar de naald kan de atomen ook verschuiven. "Je kunt het vergelijken met een schuifpuzzel", legt Otte uit, "Elke bit bestaat uit twee posities op een oppervlak van koperatomen, en één clooratoom dat we op die twee plekken heen en weer kunnen schuiven. Als het chlooratoom op de bovenste positie ligt, zit dus onderin een gat: dit noemen we een 1. Als het gat boven zit en het chlooratoom dus onder, dan is de bit een 0." Doordat de chlooratomen omringd worden door andere chlooratomen, behalve bij de gaten, houden ze elkaar op hun plek. Daardoor is deze methode met gaten veel stabieler dan methodes met losliggende atomen en geschikter voor data-opslag.
QR-codes
De Delftse onderzoekers organiseerden hun geheugen in blokken van 8 bytes, ofwel 64 bits. Elk blok heeft een merkteken, gemaakt van dezelfde 'gaten' in het raster van chlooratomen. Deze merktekens werken als minuscule QR-codes en dragen informatie over de precieze locatie van het blok op de koperlaag. Daarnaast geeft de code aan of een geheugen beschadigd is, bijvoorbeeld door lokale verontreiniging of een fout in het oppervlak. Op deze manier kan het geheugen eenvoudig worden opgeschaald naar hele grote formaten, zelfs als het koperoppervlak niet helemaal perfect is.
Datacenters
De nieuwe aanpak biedt uitstekende vooruitzichten in termen van schaalbaarheid en de stabiliteit, maar het zal nog wel even duren voordat dit soort opslagcapaciteit in datacenters terug te vinden is. Otte: "In de huidige vorm kan het geheugen alleen functioneren onder vacuüm en gekoeld tot 77 Kelvin met vloeibaar stikstof. We zijn er dus nog niet, maar daadwerkelijke opslag van data op atomaire schaal is hierdoor zeker een flinke stap dichterbij gekomen."
Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door NWO en FOM. Aan het project werkten ook wetenschappers mee van het International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) in Portugal, die berekeningen deden aan het gedrag van de chlooratomen.
Contactinformatie
Sander Otte, Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft, (015) 278 89 98, http://ottelab.tudelft.nl
Op YouTube staat een animatie (vrij te gebruiken) waarin het proces van atomaire dataopslag wordt uitgelegd.
Referentie
A kilobyte rewritable atomic memory, Nature Nanotechnology. F.E. Kalff, M.P. Rebergen, E. Fahrenfort, J. Girovsky, R. Toskovic, J.L. Lado, J. Fernández-Rossier and A.F. Otte, http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2016.131