Alle boeken passen op één postzegel

Nanotechnologie

Onderzoekers van de TU Delft schreven informatie weg met één atoom. Het betekent dat de harde schijf 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 natuurkundigen 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.

In een commentaar in Nature zet Steven Erwin van het Center for Computational Materials Science in Washington het Delftse werk op gelijke hoogte met een doorbraak in 1990, toen de Amerikaanse natuurkundige Don Eigler op het onderzoekslab van IT-bedrijf IBM met 35 xenonatomen het woord IBM wist te schrijven. Dat gebeurde handmatig met een speciaal apparaat, de scanning tunneling microscoop (STM).

Ook de Delftse onderzoekers gebruiken een STM, maar niet 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. Daarna zorgt software ervoor dat de gewenste specifieke afwisseling van atomen en zogeheten gaten (waar geen atoom is) ontstaat. 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.

De STM werkt bij het plaatsen van de chlooratomen niet feilloos. Een blok met fouten 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.

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. De Feynman-tekst is geschreven bij een temperatuur van 1 Kelvin (-272 graden Celsius, een graad hoger dan het absolute nulpunt). Met een kortere tekst lukte het ook wel 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.”