24 oktober 2016
Harddisk op atomaire schaal
Elke dag creëert de maatschappij miljarden gigabytes aan nieuwe data. Om al die data goed te kunnen bewaren, wordt het steeds belangrijker dat elk afzonderlijk bit aan informatie zo min mogelijk ruimte in beslag neemt. Een team wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft is er in geslaagd de uiterste limiet te bereiken: ze bouwden een geheugen van 1 kilobyte (8000 bits) waarbij elke bit bepaald wordt door de positie van slechts één enkel chlooratoom.
In theorie zou men met deze capaciteit alle boeken die de mensheid ooit heeft geschreven, kunnen bewaren op één postzegel. Het team onder leiding van Sander Otte bereikte een opslagcapaciteit van 80 terabits per vierkante centimeter, meer dan 500 keer beter dan de beste commerciële harddisk die momenteel te koop is. Een verslag van het onderzoek is in juli 2016 gepubliceerd in Nature Nanotechnology.
In 1959 daagde de beroemde natuurkundige Richard Feynman zijn collega’s al uit om apparaten te ontwerpen op de kleinst mogelijke schaal. In zijn beroemde lezing ‘There’s plenty of room at the bottom’ speculeerde hij dat er ooit een materiaal gemaakt zou worden waarmee men, door de individuele atomen te herschikken, informatie per atoom zou kunnen opslaan. Als eerbetoon aan Feynman heeft het team van Otte nu een deel van zijn lezing gecodeerd op een oppervlak van slechts 100 nanometer breed.
Om informatie zo te kunnen opslaan, gebruikten de wetenschappers een scanning tunneling microscoop (STM), waarin een scherpe naald de atomen van een oppervlak één voor één aftast. Daarmee kunnen de onderzoekers niet alleen de atomen zien, maar met de naald de atomen ook verschuiven. Dit valt te vergelijken met een schuifpuzzel: elk bit bestaat uit twee posities op een oppervlak van koperatomen, en één chlooratoom dat tussen die twee plekken heen en weer kan worden geschoven. Als het chlooratoom op de bovenste positie ligt, zit dus onderin een gat: dit noemen we een 1. Als het gat boven zit en het chlooratoom dus onder, dan is het bit een 0. Doordat de chlooratomen omringd worden door andere chlooratomen, behalve bij de gaten, houden ze elkaar op hun plek. Daardoor is deze methode met gaten veel stabieler dan methodes met losliggende atomen, en dus ook geschikter voor dataopslag.
De Delftse onderzoekers organiseerden hun geheugen in blokken van 8 byte (64 bit). Elk blok heeft een merkteken, gemaakt van dezelfde ‘gaten’ in het raster van chlooratomen. Deze merktekens werken als minuscule QR-codes en dragen informatie over de precieze locatie van het blok op de koperlaag. Daarnaast geeft de code aan of een geheugen beschadigd is, bijvoorbeeld door lokale verontreiniging of een fout in het oppervlak. Op deze manier kan het geheugen eenvoudig worden opgeschaald naar hele grote formaten, zelfs als het koperoppervlak niet helemaal perfect is.
De nieuwe aanpak biedt uitstekende vooruitzichten in termen van schaalbaarheid en stabiliteit, maar het zal nog wel even duren voordat dit soort opslagcapaciteit in datacenters terug te vinden is. In de huidige vorm kan het geheugen alleen functioneren in vacuüm en gekoeld tot 77 kelvin met vloeibare stikstof. De daadwerkelijke opslag van data op atomaire schaal is hiermee echter een flinke stap dichterbij gekomen. Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door NWO en FOM.
Aan het project werkten ook wetenschappers mee van het International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) in Portugal, die berekeningen deden aan het gedrag van de chlooratomen.
TU Delft (Nanoscience)
(015) 278 8998
www.tudelft.nl
