De wet van Moore - de bekende verdubbeling van de rekenkracht van computerchips om de 18 maanden - is versneld door een even gestage toename van de opslagcapaciteit van schijfstations. 1980, een harde schijf zou ongeveer een halve megabyte aan gegevens kunnen opslaan in een vierkante inch schijfruimte; nu, fabrikanten naderen een miljoen megabyte aan data per vierkante inch.

Een experimentele technologie genaamd moleculair geheugen, die gegevens zou opslaan in individuele moleculen, belooft nog 1, 000-voudige toename van de opslagdichtheid. Maar eerdere schema's voor moleculair geheugen waren gebaseerd op fysieke systemen die waren afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. In de online editie van 23 januari van Natuur , een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Jagadeesh Moodera, een senior onderzoeker bij het MIT Department of Physics en bij MIT's Francis Bitter Magnet Laboratory, beschrijft een nieuw moleculair geheugenschema dat werkt rond het vriespunt van water - wat in de natuurkunde als 'kamertemperatuur' wordt beschouwd.

Bovendien, waar eerdere schema's vereisten dat de opslagmoleculen tussen twee ferromagnetische elektroden werden geklemd, het nieuwe schema zou slechts één ferromagnetische elektrode vereisen. Dat zou de fabricage aanzienlijk kunnen vereenvoudigen, net als de vorm van de opslagmoleculen zelf:omdat ze bestaan ​​uit platte vellen koolstofatomen die aan zinkatomen zijn bevestigd, ze kunnen worden afgezet in zeer dunne lagen met zeer nauwkeurige rangschikkingen.

De opslagmoleculen zijn ontwikkeld door chemici van het Indian Institute of Science Education and Research in Kolkata, die co-auteurs zijn van de Nature-paper. De Indiase chemici geloofden dat de moleculen nuttig zouden kunnen zijn voor het soort experimentele apparaten dat door Moodera's groep werd bestudeerd, die gebruik maken van "spin, "een eigenschap van kleine deeltjes materie, gegevens te vertegenwoordigen.

Halve boterham

Onder toezicht van Moodera, Karthik Raman, toen een PhD-student in de afdeling Materials Science and Engineering van MIT en nu een wetenschapper bij IBM's Research Lab in India, en Alexander Kamerbeek, een gaststudent van de Rijksuniversiteit Groningen, zette een dunne film van het materiaal af op een ferromagnetische elektrode en voegde er een tweede ferromagnetische elektrode aan toe - de standaardstructuur voor magnetische geheugens. Het idee is dat een relatieve verandering in de magnetische oriëntaties van de elektroden een plotselinge sprong in de geleidbaarheid van het apparaat veroorzaakt. De twee toestanden van geleidbaarheid vertegenwoordigen de enen en nullen van binaire logica.

Tot hun verbazing, echter, de MIT-onderzoekers maten niet één maar twee sprongen in geleidbaarheid. Dat hield in dat de elektroden de geleidbaarheid van het apparaat onafhankelijk van elkaar veranderden. "Volgens de algemene kennis, dit zou niet mogen gebeuren, ' zegt Moedera.

Om hun intuïtie te bevestigen, de onderzoekers voerden het experiment opnieuw uit, maar in plaats van twee ferromagnetische elektroden te gebruiken, ze gebruikten één ferromagnetische elektrode en één gewone metalen elektrode, wiens enige doel was om de stroom te lezen die door het molecuul gaat. Inderdaad, ze ontdekten dat de sprong in geleidbaarheid nog steeds optrad.

Zoals Moodera uitlegt, het vermogen om de geleidbaarheid van de moleculen te veranderen met slechts één elektrode zou de vervaardiging van moleculair geheugen drastisch kunnen vereenvoudigen. De onderste elektrode van een geheugencel kan worden afgezet in een perfect vlakke laag en de opslagmoleculen kunnen er bovenop worden gelegd. Maar als de volgende laag die moet worden afgezet de bovenste elektrode is, zijn moleculen zullen de neiging hebben om zich te vermengen met de opslagmoleculen. Als de elektrode magnetisch is, die vermenging kan de prestaties van de cel in gevaar brengen; als het van metaal is, het zal niet.

In een alternatief ontwerp, de bovenste elektrode is een kleine tip, als de punt van een atoomkrachtmicroscoop, minder dan een nanometer boven de opslagmoleculen gepositioneerd. Maar nogmaals, een magnetische elektrode levert problemen op - in dit geval door te beperken hoe dicht de opslagcellen kunnen worden verpakt. Als ze te dicht bij elkaar staan, een magnetische punt kan de magnetische oriëntatie veranderen van cellen die grenzen aan degene die het moet adresseren. Dat is geen probleem met niet-magnetische tips.

Stapelbare opslag

De vorm van de moleculen zelf zou ook de vervaardiging van moleculair geheugen kunnen vereenvoudigen. Typisch, experimentele moleculaire geheugens bestaan ​​uit vijf of zes lagen moleculen die tussen elektroden zijn ingeklemd. Als die moleculen goed zijn uitgelijnd, ze vertonen grote schommelingen in geleidbaarheid, maar als ze dat niet zijn, dat doen ze niet. Zorgen voor de juiste afstemming is een ander arbeidsintensief proces.

De moleculen ontwikkeld door de Indiase onderzoekers, echter, bestaan ​​uit zinkatomen die zijn bevestigd aan vlakke koolstofplaten, die van nature op elkaar aansluiten. De MIT-onderzoekers toonden ook aan dat twee lagen van de moleculen voldoende waren om een ​​geheugencel te produceren. "Als je een hele hoop moleculen tussen de elektroden plaatst, het is moeilijker te controleren, ' zegt Moedera.

"Het schakeleffect in de buurt van kamertemperatuur is vanwege de sterke interactie van het molecuul met het magnetische oppervlak, " voegt Raman toe. "Dat maakt het molecuul magnetisch en stabiliseert het."

Jing Shi, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Riverside, wijst erop dat gigantische magnetoweerstand, het fysieke fenomeen dat in 1988 werd ontdekt en dat de basis vormt voor de meeste moderne apparaten voor gegevensopslag, won zijn ontdekkers in 2007 de Nobelprijs voor de natuurkunde. Moedera, Raman, en hun collega's "vonden een nieuw type magnetoweerstand, " Shi says. "This is very novel, because you don't need very complicated material structures." As a consequence, hij zegt, "The fabrication process could be simpler and very flexible. You only have to prepare this interfacial layer with the desired properties; then you can, in principe, recognize magnetoresistance."

"Blijkbaar, it has some way to go, " Shi adds, "but this is a proof of concept."

Moodera agrees. "This is only the tip of the tip of the iceberg, " he says. At present, the researchers' experimental setup exhibits only a 20 percent change in conductivity, which is probably not enough for a commercial device. Together with researchers at the Peter Grünberg Institute in Jülich, Duitsland, who are also co-authors on the Nature paper, Moodera, Raman, and Kamerbeek have developed a theoretical explanation for the unexpected phenomenon of single-electrode switching. But if they can fill in the gaps in their understanding, Moodera says, they can design new organic molecules that should exhibit higher swings in conductivity. "It's possible to control the shape of organic molecules, " Moodera says. "Every year, chemists come up with hundreds of thousands of them."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.