Wetenschappers van de Radboud Universiteit ontdekten een nieuw mechanisme voor magnetische opslag van informatie in de kleinste eenheid van materie:een enkel atoom. Hoewel het bewijs van het principe werd aangetoond bij zeer lage temperaturen, dit mechanisme is veelbelovend voor werking op kamertemperatuur. Op deze manier, het zal mogelijk zijn om duizenden keren meer informatie op te slaan dan op de huidige harde schijven. Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Aangezien onze huidige computerarchitectuur niet veel sneller wordt en veel stroom verbruikt, gecombineerd met de exploderende vraag om informatie op te slaan, onderzoekers zijn geïnteresseerd in nieuwe strategieën om meer informatie op een energiezuinige manier op te slaan. Een mogelijk pad is om informatie op te slaan bij de ultieme schaallimiet:een enkel atoom. "Computers hebben fundamentele beperkingen bereikt met betrekking tot hoeveel beter ze kunnen worden, het creëren van een enorme vraag in materiaalonderzoek naar alternatieven. Moderne computers verbruiken veel elektriciteit, die momenteel meer dan 5 procent van de elektriciteit in de wereld eisen. De fundamentele wetenschap zegt dat we veel meer kunnen winnen op het gebied van energie-efficiëntie. We concentreren ons op een heel basaal onderdeel van moderne computers:een beetje geheugen. We gebruiken atomen, omdat ze de kleinste eenheid van materie zijn en ons ook in staat stellen de fundamentele wetenschap achter hun gedrag beter te begrijpen. Onze huidige vraag:hoe kunnen we informatie opslaan binnen een enkel atoom en hoe stabiel kunnen we dat stukje informatie maken?", eerste auteur Brian Kiraly legt uit.

Atomen moeten stoppen met flippen om informatie op te slaan

Als je op het niveau van één atoom komt, atomen die magnetisch zijn, niet meer stabiel blijven. "Wat een permanente magneet definieert, is dat hij een noord- en een zuidpool heeft, die in dezelfde richting blijft, "professor Scanning Probe Microscopy Alexander Khajetoorians legt uit, "Maar als je tot een enkel atoom komt, de noord- en zuidpool van het atoom beginnen om te draaien en weten niet in welke richting ze moeten wijzen, omdat ze extreem gevoelig worden voor hun omgeving. Als je wilt dat een magnetisch atoom informatie bevat, het kan niet omslaan. De afgelopen tien jaar hebben onderzoekers gevraagd:om het atoom te laten stoppen met flippen, hoeveel atomen zijn er nodig om de magneet te stabiliseren, en hoe lang kan het informatie vasthouden voordat het weer omslaat? In de afgelopen twee jaar, wetenschappers in Lausanne en bij IBM Almaden hebben ontdekt hoe ze kunnen voorkomen dat het atoom omslaat, waaruit blijkt dat een enkel atoom een ​​herinnering kan zijn. Om dit te doen, onderzoekers moesten zeer lage temperaturen gebruiken, 40 Kelvin of -233 graden Celsius. Deze technologie is beperkt tot extreem lage temperaturen."

Wetenschappers van de Radboud Universiteit pakten het anders aan. Door een speciaal substraat te kiezen - halfgeleidende zwarte fosfor -, ontdekten ze een nieuwe manier om informatie op te slaan binnen enkele kobaltatomen, dat de conventionele problemen met instabiliteit omzeilt. Met behulp van een scanning tunneling microscoop, waar een scherpe metalen punt een paar atomen verder over hun oppervlak beweegt, ze konden enkele kobaltatomen "zien" op het oppervlak van zwarte fosfor. Door de extreem hoge resolutie en de bijzondere eigenschappen van het materiaal, ze toonden direct aan dat de enkele kobaltatomen konden worden gemanipuleerd in een van de twee bittoestanden.

Hogere stabiliteit dan eerdere magneten

De elektronen in een atoombaan rond de kern, maar ook zelf "spint", net zoals de aarde zowel om de zon als om zijn eigen as draait. Het totale bedrag dat het draait, of zijn impulsmoment, is wat ons magnetisme geeft. "In plaats van dit spin-impulsmoment, die eerdere onderzoekers hebben gebruikt, we hebben een manier bedacht om een ​​energieverschil te maken tussen enkele van de orbitalen van het kobaltatoom en gebruiken nu het orbitale impulsmoment voor ons atoomgeheugen. Dit heeft een veel grotere energiebarrière en zou levensvatbaar kunnen zijn om het geheugen van één atoom stabiel te maken bij kamertemperatuur.

Uiteindelijk, het is nog steeds een magneet met een impulsmoment, maar we zijn nu in staat om het atoom van 0 naar 1 toestand te sturen, die een veel hogere stabiliteit heeft dan andere magneten, " zegt Kiraly. "Toen we het experiment voor het eerst uitvoerden en deze binaire schakeling zagen, we wisten niet zeker wat er aan de hand was. In een mooie samenwerking met theoretici van de Radboud Universiteit, Misha Katsnelson en Sasha Rudenko, we waren in staat om erop te wijzen dat we het orbitale moment van het atoom observeerden en een nieuwe herinnering hadden gecreëerd, " voegt Khajetoorians toe.

Bewaar duizend keer meer informatie

Direct, de elementen die de bits van de harde schijf opslaan, zijn nog steeds duizend keer groter dan een atoom. Khajetoorians:"Wat dit werk betekent, is dat, als we van al deze atomen een echte harde schijf zouden kunnen maken - en daar zijn we nog ver van verwijderd - zou je duizenden keren meer informatie kunnen opslaan."