(PhysOrg.com) -- Vorige week publiceerden IBM-onderzoekers een baanbrekende techniek in het peer-reviewed tijdschrift Wetenschap die meet hoe lang een enkel atoom informatie kan bevatten, en wetenschappers de mogelijkheid te geven om vast te leggen, bestuderen en "visualiseren" extreem snelle verschijnselen binnen deze atomen.

Net zoals de eerste films beweging overbrachten door middel van high-speed fotografie, wetenschappers van IBM Research - Almaden gebruiken de Scanning Tunneling Microscope als een hogesnelheidscamera om het gedrag van individuele atomen vast te leggen met een snelheid die ongeveer een miljoen keer sneller is dan voorheen mogelijk was. IBM-onderzoekers in Zürich vonden in 1981 de Scanning Tunneling Microscope uit en kregen de Nobelprijs.

Al meer dan twee decennia verleggen IBM-wetenschappers de grenzen van de wetenschap met behulp van de Scanning Tunneling Microscope om de fundamentele eigenschappen van materie op atomaire schaal te begrijpen, met een enorm potentieel voor baanbrekende innovatie op het gebied van informatieopslag en -berekening.

De mogelijkheid om nanoseconde-snelle fenomenen te meten opent een nieuw domein van experimenten voor wetenschappers, omdat ze nu de dimensie tijd kunnen toevoegen aan experimenten waarin extreem snelle veranderingen plaatsvinden. Om dit in perspectief te plaatsen, het verschil tussen één nanoseconde en één seconde is ongeveer dezelfde vergelijking als één seconde tot 30 jaar. In die tijd gebeurt er een enorme hoeveelheid natuurkunde die wetenschappers voorheen niet konden zien.

"Deze techniek die is ontwikkeld door het IBM Research-team is een zeer belangrijke nieuwe mogelijkheid om kleine structuren te karakteriseren en te begrijpen wat er op snelle tijdschalen gebeurt, " zei Michael Crommie, Universiteit van Californië, Berkeley. "Ik ben vooral enthousiast over de mogelijkheid om het te generaliseren naar andere systemen, zoals fotovoltaïsche, waar een combinatie van hoge ruimtelijke en tijdresolutie ons zal helpen om verschillende nanoschaalprocessen die belangrijk zijn voor zonne-energie beter te begrijpen, inclusief lichtabsorptie en scheiding van lading."

Behalve dat wetenschappers de nanoschaalfenomenen in zonnecellen beter kunnen begrijpen, deze doorbraak kan worden gebruikt om gebieden te bestuderen zoals:

• Quantumcomputing. Quantumcomputers zijn een radicaal ander type computer - niet gebonden aan de binaire aard van traditionele computers - met het potentieel om geavanceerde berekeningen uit te voeren die tegenwoordig niet mogelijk zijn. Met de doorbraak van vandaag, wetenschappers zullen een krachtige nieuwe manier hebben om de haalbaarheid te onderzoeken van een nieuwe benadering van kwantumcomputing door middel van atomaire spins op oppervlakken.

• Technologie voor informatieopslag. Naarmate de technologie de atomaire schaal nadert, wetenschappers hebben de grenzen van magnetische opslag verkend. Deze doorbraak stelt wetenschappers in staat om de elektronische en magnetische eigenschappen van een atoom te "zien" en te onderzoeken of informatie betrouwbaar kan worden opgeslagen op een enkel atoom.

Hoe het werkt

Aangezien de magnetische spin van een atoom te snel verandert om direct te meten met behulp van eerder beschikbare Scanning Tunneling Microscope-technieken, tijdsafhankelijk gedrag wordt stroboscopisch geregistreerd, op een manier die vergelijkbaar is met de technieken die voor het eerst werden gebruikt bij het maken van films, of zoals in time lapse fotografie vandaag.

Met behulp van een "pomp-sonde" meettechniek, een snelle spanningspuls (de pomppuls) prikkelt het atoom en een daaropvolgende zwakkere spanningspuls (de sondepuls) meet vervolgens de oriëntatie van het magnetisme van het atoom op een bepaald moment na excitatie. In essentie, de tijdvertraging tussen de pomp en de sonde stelt de frametijd van elke meting in. Deze vertraging wordt vervolgens stap voor stap gevarieerd en de gemiddelde magnetische beweging wordt geregistreerd in kleine tijdsintervallen. Voor elke tijdstap, de wetenschappers herhalen de wisselspanningspulsen ongeveer 100, 000 keer, wat minder dan een seconde duurt.

In het experiment, ijzeratomen werden afgezet op een isolerende laag van slechts één atoom dik en ondersteund op een koperkristal. Dit oppervlak is zo gekozen dat de atomen elektrisch kunnen worden onderzocht met behoud van hun magnetisme. De ijzeratomen werden vervolgens met atomaire precisie naast niet-magnetische koperatomen geplaatst om de interactie van het ijzer met de lokale omgeving van nabijgelegen atomen te beheersen.

De resulterende structuren werden vervolgens gemeten in de aanwezigheid van verschillende magnetische velden om te onthullen dat de snelheid waarmee ze hun magnetische oriëntatie veranderen gevoelig afhangt van het magnetische veld. Hieruit bleek dat de atomen ontspannen door middel van kwantummechanische tunneling van het magnetische moment van het atoom, een intrigerend proces waarbij het magnetisme van het atoom zijn richting kan omkeren zonder door tussenliggende oriëntaties te gaan. Deze kennis kan wetenschappers in staat stellen om de magnetische levensduur van de atomen te manipuleren om ze langer (om hun magnetische toestand te behouden) of korter (om over te schakelen naar een nieuwe magnetische toestand) te maken als dat nodig is om toekomstige spintronische apparaten te creëren.

“Deze doorbraak stelt ons voor het eerst in staat te begrijpen hoe lang informatie in een individueel atoom kan worden opgeslagen. Achter dit, de techniek heeft een groot potentieel omdat het toepasbaar is op vele soorten natuurkunde die op nanoschaal plaatsvinden, ’ zei Sebastiaan Loth, IBM-onderzoek. "IBM's voortdurende investering in verkennende en fundamentele wetenschap stelt ons in staat om het grote potentieel van nanotechnologie voor de toekomst van de IT-industrie te verkennen."