Je leest:

Atoom als geheugencel

Atoom als geheugencel

Natuurkundige Sander Otte beschrijft in het blad Science een manier om de magneetvelden van atomen door te meten. Otte werkte samen met een team van IBM, dat wil weten of de atomen stabiel genoeg zijn om als computergeheugen te dienen.

Harde schijven wemelen van de magneetvelden. Een noordpool omhoog of omlaag gericht, dat is de manier waarop computers hun nullen en enen bewaren. Om meer informatie op een harde schijf te krijgen, moeten de magnetische gebiedjes steeds verder krimpen. De absolute ondergrens is die van het atoom zelf: nog geen miljardste meter. Een harde schijf met atomen als geheugenplaatsen – voorlopig bestaat het alleen op papier – zou een 10.000 maal grotere opslagcapaciteit hebben dan de systemen van nu. Maar zijn atomen wel magnetisch stabiel?

Hoe kleiner hoe instabieler

Hoe kleiner de magnetische elementjes (‘bits’) op een harde schijf, hoe groter de opslagcapaciteit. Het probeem is dat magnetische bits juist minder stabiel worden naarmate ze kleiner worden. De warmte van de omgeving kan dan al voldoende energie leveren om de magnetische richting van een materiaal om te klappen, zodat een bit niet meer uit te lezen is als óf 0 óf 1. De informatie gaat dan verloren. Ontwerpers proberen daarom hoever ze de geheugencapaciteit kunnen vergroten zonder instabiele bits te krijgen.

Het onderzoekersteam van het IBM Almaden Research Center in Silicon Valley, waar Sander Otte deel van uitmaakt, besloot het probleem echter anders te benaderen, namelijk bottom-up. In plaats van bestaande technologie geleidelijk te verkleinen, bekeken ze de kleinst denkbare magneetcel: één enkel magnetisch atoom.

Een magnetisch ijzeratoom op een ondergrond van koper en kopernitride. bron: IBM. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Scanning Tunneling Microscoop

Otte: ‘IBM Research heeft daar de unieke uitrusting voor in huis. In de jaren ’80 ontwikkelde het de Scanning Tunneling Microscoop (STM), die losse atomen op een oppervlak niet alleen kan bekijken, maar ook kan oppakken en terugplaatsen zonder het materiaal blijvend te beschadigen. Sindsdien is IBM koploper op dit gebied.’ De STM is een tastmicroscoop. Een scherpe naald komt vlakbij het oppervlak en kan daar lokaal elektronen aan toe voegen.

De onderzoekers onderzochten met hun tastmicroscoop de magnetische stabiliteit ( anisotropie) te onderzoeken van ijzer- en mangaanatomen. Die lagen op een oppervlak van kopernitride, want anisotropie hangt direct af van de omgeving en kopernitride bleek door zijn speciale structuur een zeer geschikt materiaal.

De dunne naald van een scanning tunneling microscope ‘voelt’ atomen op een oppervlak door een kleine elektrische lekstroom tussen naald en atomen.

Spin

Met een magneetveld en elektronen uit de STM-naald onderzochten Otte en de IBM-groep de stabiliteit van een serie atomen. Otte: ‘IJzer kwam het dichtst in de buurt van het ideaal. Het vertoonde ten eerste een sterke magnetische voorkeursrichting, en ten tweede was de polarisatie in die richting stabiel; de hoeveelheid benodigde energie om hem naar de andere kant te laten omklappen was redelijk hoog.’ Dit zijn de twee voorwaarden voor data-opslag. Toch bleek het door andere factoren daarvoor helaas niet geschikt. ‘Maar dat geeft niet; dit waren pas de eerste atomen die we bekeken. Veel belangrijker is dat we nu een methode hebben om anisotropie in kaart te brengen.’

Te koud voor de harde schijf

Als een ander atoom dan ijzer wel geschikt zou zijn, dan is er voorlopig nog een obstakel voor toepassing in de praktijk van alledag: De experimenten worden namelijk bij extreem lage temperatuur worden uitgevoerd. ‘Bij kamertemperatuur wordt niet alleen het magneetveld instabiel, de atomen blijven zelfs niet eens meer op hun plaats liggen’, legt Otte uit.

Zie verder

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 augustus 2007

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.