Delftse wetenschappers kunnen nu data opslaan op atomair niveau

Wetenschappers van de TU Delft hebben een manier gevonden om data op te slaan op het niveau van atomen die bits representeren.

De technologie wordt beschreven in de nieuwste Nature Nanotechnology en zou 500 terabyte aan data per vierkante inch op kunnen slaan. In theorie zou de inhoud van alle boeken in de US Library of Congress op een 0.1 mm brede kubus passen – maar in de praktijk is het de wetenschappers gelukt om 1 kilobyte aan data op te slaan.

Natuurkundigen kunnen al 25 jaar individuele atomen manipuleren, maar er bestaan nog altijd meerdere problemen met het bouwen van dataopslag op atomaire schaal. Ten eerste staan atomen niet stil bij de meeste normale temperaturen en ten tweede is er het probleem van het vinden van het juiste materiaal en de juiste manier om atomen rond te schuiven.

De manipulatie wordt in dit geval gedaan met een scanning tunneling microscoop (STM). In 1990 spelde natuurkundige Don Eigler de letters "IBM" met 35 xenonatomen met een STM, maar de groep uit Delft slaat informatie heel anders op. In plaats van atomen op verschillende manieren te positioneren, is hun opslag gebaseerd op atomaire leegtes – ruimtes op een vlak waar atomen zouden moeten zijn.

"De layout is een raster van 12 x 12 rechthoekige blokken, waarbij elk blok bestaat uit een raster van donkere stippen waarvan de positie varieert als de kralen op een telraam," legt Steven Erwin, materiaalwetenschapper bij de Naval Research Laboratory, uit in een stuk in Nature. "In tegenstelling tot de xenonatomen van 'IBM,' zijn deze vlekken geen atomen, maar juist hun afwezigheid in een laag van chlooratomen op een kopersubstraat. De lege plekken zijn makkelijk en herhaalbaar te manipuleren door een van de vier dichtstbijzijnde atomen te bewegen met een STM."

Werken met leegtes heeft een paar grote voordelen. De eerste is dat de leegtes redelijk stabiel zijn, waardoor het apparaat minder koud bewaard kan worden – op slechts -196ºC in plaats van -210ºC. Ten tweede kunnen de wetenschappers door het rondschuiven van leegtes in plaats van het oppakken en neerleggen van atomen 99% betrouwbare resultaten halen. Ook kunnen de leegtes op een compleet automatische manier gemanipuleerd worden.

"Nadat het oppervlak gescand is, worden de posities van de leegtes bepaald via beeldherkenning," legt het paper uit. "Daarna kan een routebepalend algoritme de bouwsequentie uitrekenen om de leegtes op de goede plek te krijgen. De markers van naastliggende blokken worden automatisch gebouwd en overgebleven leegtes worden naar de zijkant gedrukt om in latere blokken gebruikt te worden. Automatische constructie van een compleet blok duurt zo'n 10 minuten."

Datacentra worden meestal niet gerund op een temperatuur van -196ºC. De noodzaak voor vloeibare stikstof is dus een flinke horde, om het zachtjes uit te drukken. En dan is er ook nog de kwestie van snelheid: het aflezen van een geheugenblok kost 10 minuten. De Delftse wetenschappers geeft echter wel aan gezien de maximale bandbreedte van STM-elektronica, het in theorie mogelijk zou moeten zijn om die snelheid naar 1 megabit per seconde te krijgen.