Alle boeken passen op één postzegel

Nanotechnologie

Onderzoekers van de TU Delft schreven informatie weg met één atoom. Het betekent dat de harde schijf in de PC nog 500 keer kleiner kan.

De digitale opslag van data heeft de grens van het atoom bereikt. „De informatiedichtheid die we bereiken is 500 keer hoger dan die van de beste hard disks van nu”, zegt natuurkundige Sander Otte van de TU Delft, die het onderzoek leidde. „Een geheugen ter grootte van een postzegel zou genoeg zijn om alle boeken ter wereld op te slaan.” Het onderzoek is samen met Spaanse en Portugese natuurkundige gedaan. Otte’s promovendus Floris Kalff is eerste auteur van het artikel dat maandag is gepubliceerd door Nature Nanotechnology.

Bij de huidige digitale informatie-opslag wordt één bit (een 0 of een 1) gerepresenteerd door de gezamenlijke toestand (bijvoorbeeld een magnetisatie) van enkele duizenden atomen. Bij de Delftse onderzoekers staat een bit gelijk aan één chlooratoom. Ze wisten zo een stuk tekst van 160 woorden op te slaan. Deze tekst komt uit een lezing die de befaamde natuurkundige Richard Feynman in 1959 hield. Daarin zinspeelde hij al op de mogelijkheid om atomen individueel te manipuleren.

Bij het onderzoek publiceerde Nature ook een commentaar, geschreven door Steven Erwin van het Center for Computational Materials Science in Washington. Hij zet het Delftse werk op gelijke hoogte met een doorbraak in 1990, toen de Amerikaanse natuurkundige Don Eigler op het onderzoekslab van it-bedrijf IBM erin slaagde de positie van 35 xenonatomen zo te manipuleren dat ze het woord IBM vormden. Dat gebeurde handmatig met een speciaal apparaat, de scanning tunneling microscoop (STM).

Ook de Delftse onderzoekers gebruiken een STM, maar niet langer handbediend. De chlooratomen worden geautomatiseerd op hun plek gemanipuleerd. Het begint ermee dat de atomen at random over een dun oppervlak van koper worden verdeeld. Software zorgt er vervolgens voor dat de STM een geschikte plek zoekt om het schrijven te starten, en de gewenste tekst te ‘spijkeren’. Dat gaat volgens een specifieke afwisseling van atomen en zogeheten gaten (waar geen atoom is). De sequentie atoom-gat staat voor een 1, omgekeerd staat gat-atoom voor een 0. De STM positioneert de atomen in blokken van 64 bits, die uit acht regels van 8 bits bestaan. In Ascii-code staan 8 bits voor één letter, of voor bijvoorbeeld een spatie. Zo is de eerste letter van het opgeslagen stuk tekst een hoofdletter B, en in code is dat: 0-1-0-0-0-0-1-0.

De STM werkt bij het plaatsen van de chlooratomen niet feilloos. In sommige blokken blijken ze om een of andere reden niet goed te rangschikken. Zo’n blok wordt gemarkeerd, zodat de STM die bij het lezen overslaat. Bij dat lezen tast de STM over het oppervlak. Hij ‘voelt’ of hij over een atoom gaat, of over een gat.

Herschrijven van de informatie is ook mogelijk. Via de STM is een klein stroompje (1 microAmpère) toe te dienen, waarmee de positie van een atoom veranderd kan worden. „Het lijkt een klein stroompje, maar voor een enkel atoom is het een krankzinnige hoeveelheid”, zegt Otte. „De atomen overleven dit. Waanzinnig eigenlijk.”

Zo enthousiast als Steven Erwin in zijn commentaar is over het Delftse onderzoek, zo nuchter is hij over commerciële toepassing ervan. Die ligt ver in het verschiet. Want het schrijven en lezen met de STM gaat, voor it-begrippen, tergend langzaam. Het schrijven van een blok van 64 bits duurt circa 10 minuten, het lezen ervan tussen de 1 en 2 minuten. Harde schijven doen dat in een flits.

Ook Otte is terughoudend. Het manipuleren van de chlooratomen gebeurt in vacuüm. En de Feynman-tekst is geschreven bij een temperatuur van 1 Kelvin (-272 graden Celsius, een graad hoger dan het absolute nulpunt). Hoewel het de natuurkundigen, hetzij met een kortere tekst, ook lukte bij 77 Kelvin (-196 graden Celsius), de temperatuur van vloeibaar stikstof. Dat was ook de bewaartemperatuur van Feynmans tekst. Dit zijn geen omstandigheden voor massatoepassing. Dat hoeft voor Otte ook niet. Otte: „Voor mij is de belangrijkste boodschap dat we de wereld op atomaire schaal met grote precisie naar onze hand kunnen zetten.”