19 juli 2016

Alle boeken op je duimpje

Het bestand van een één foto die ik vandaag met mijn iPhone maak, is groter dan de totale opslagcapaciteit van een diskette uit mijn schooltijd. Opslagmedia worden kleiner, maar er kan steeds meer op. Stel je voor dat alle boeken ter wereld op je duim zouden passen! Collega’s in Delft zijn hard op weg dit voor elkaar te krijgen. Ze moeten bijvoorbeeld nog wel een manier vinden, om de schrijf- en leessnelheid van deze nieuwe geheugenopslag drastisch te vergroten.

Het is zestien jaar geleden dat ik naar de brugklas ging. Een zware tas vol boeken en een klein doosje met een diskette. Dat was genoeg om in de mediatheek mijn werk te kunnen doen. Nu hebben we allemaal een smartphone. Daarop passen meer bestanden dan op 10.000 diskettes van toen. Dat komt omdat er veel meer bits, bouwstenen van computerbestanden, op een veel kleinere chip passen. Hoe kleiner, hoe beter dus.

Engelstalige animatie over de opslag van data op atomaire schaal in Delft. (rechtenvrij)

Kleiner dan klein

De onderzoeksgroep van Sander Otte in Delft, heeft dit kleine heel serieus genomen: het is hun gelukt om informatie op te slaan in enkele atomen. Met deze atomen hebben ze een geheugen gemaakt van 1 kilobyte (8000 bits). Ze hebben stukken tekst bewaard op zó weinig ruimte, dat alle boeken van de wereld de ruimte van je duim zouden innemen. Dit werk is zo indrukwekkend dat het vandaag gepubliceerd is in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.

Sanderfloris
Groepsleider Sander Otte en promovendus Floris Kalff voor hun meetopstelling in het lab. “Van diskette naar iPhone en straks alle informatie op je duim?”
Feynman
Een fragment uit Feynman’s There’s plenty of room at the bottom (met ondertitels). STM-opname (96 nm breed, 126 nm hoog) van het 1 kB geheugen. Te ontcijferen met code hieronder.

Atoompincet

Stel je voor dat je met een pincet zandkorreltjes op het strand moet rangschikken. Zo voelt promovendus Floris Kalff zich een beetje in zijn lab. Alleen verplaatst hij geen zandkorreltjes, maar atomen, de bouwstenen van alle materie. Een atoom is tien miljoen keer kleiner dan een zandkorrel! De onderzoekers in het lab van groepsleider Sander Otte verplaatsen die atomen met een Scanning Tunneling Microscope (STM). Dit is een soort hele scherpe pincet, die op een oppervlakte enkele atomen kan aftasten én verschuiven.

Door een rooster van atomen te maken, met lege plekken ertussen, maken ze bits, bouwstenen van digitale informatie. Elke bit heeft twee plekjes in het rooster nodig, een chloor-atoom en een lege plek: een gat. Als het chloor-atoom boven het gat ligt, is het een ‘1’, onder het gat is het een ‘0’. Iedere bit wordt vervolgens omringd door een groepje chloor-atomen, zo blijft de boel netjes liggen, en kan de opgeslagen informatie bewaard worden. Met deze bits hebben ze een opslag-medium gemaakt dat 500 keer compacter is dan de allerbeste hard-disks die je nu kunt kopen. Het is een beetje alsof de inhoud van een zeecontainer ineens in je kledingkast past.

Legend
De legenda om de tekst van Feynman (hierboven) en Darwin (hieronder) te ontcijferen.

Altijd ruimte

De beroemde natuurkundige Richard Feynman gaf in 1959 een lezing met titel: ‘There’s plenty of room at the bottom’. Hij zei toen al dat individuele atomen gebruikt konden worden om informatie op te slaan. Als eerbetoon heeft de groep van Sander Otte een stuk van deze lezing in hun nieuwe atoom-geheugen opgeslagen. Met behulp van QR-codes van atomen konden letters, regelnummers en kapotte stukjes worden aangeduid. De STM (atoompincet) kon dit vervolgens ook weer netjes uitlezen.

Darwin
Fragment uit On the Origin of Species van Charles Darwin. Kun je dit ontcijferen met behulp van de legenda hierboven?

Bevroren duim

Het zou mooi zijn als alle boeken van de wereld straks op een duim zouden passen, en alle digitale informatie in atomen kan worden opgeslagen. Maar het duurt nog even voordat wij een atoom-USB-stick kunnen kopen. Het principe werkt nu alleen op 196 graden Celcius, in vloeibaar stikstof. De koude temperaturen zouden best gerealiseerd kunnen worden in grote data-opslagcentra. Maar om deze methode in de praktijk bruikbaar te maken moet ook de schrijf en leessnelheid enorm vergroot worden.

Dit is misschien gewoon een kwestie van tijd: betere elektronica om het systeem heen, en zorgen dat ieder stapje snel maar toch nauwkeurig genomen kan worden. Een uitdaging, maar het onderliggende systeem is er zeker toe in staat! En als het de komende zestien jaar net zo snel vooruit gaat als de afgelopen zestien jaar, dan gaan mijn kinderen in de toekomst vast met zo’n atoom-gatenkaas naar school. Wordt wel lastig zoeken als die kwijt is!

Publicatie:

Otte e.a., A kilobyte rewritable atomic memory, In: Nature Nanotechnology, 17 juli 2016, dx.doi.org/10.1038/nnano.2016.131

Het lab van Sander Otte

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.