Zwitserse onderzoekers zijn er samen met IBM als eersten in geslaagd om een atoom te gebruiken als representatie van een bit. Ze richten de magnetische oriëntatie van een holmiumatoom naar wens omhoog en omlaag, waarna deze toestand urenlang stabiel blijft. Dit belooft in de toekomst een veel dichtere dataopslag dan in bestaande harde schijven zit, maar het zal nog jaren duren voor de techniek praktisch toepasbaar is.


De atomaire bit heeft zijn succes te danken aan een bijzondere eigenschap van holmium, een zeldzaam aardmetaal met nummer 67 in het periodiek systeem. In een holmiumatoom zitten veel losse (ongepaarde) elektronen die rond de kern cirkelen. Die elektronen bevinden zich ook nog eens dichtbij de kern, zodat ze wat afgeschermd zijn van de buitenwereld.

Die eerstgenoemde eigenschap geeft holmium een groot magnetisch veld; de tweede zorgt ervoor dat dit relatief stabiel is. Beide eigenschappen zijn voordelig als je met het atoom een “1” of een “0” wil opslaan. Nadeel is wel dat het afgeschermd zitten van de elektronen er ook voor zorgt dat interactie met het atoom lastig is; je kan de bit net zomaar omklappen.
 

Opname van het losse holmiumatoom.
Bron: IBM Research

Magnetisch puntje

Maar het is onderzoekers van de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) dus toch gelukt. Ze gebruikten hiervoor een scanning-tunneling-microscoop, waarvan het puntje magnetisch is. Door dat heel dicht bij een holmiumatoom te brengen, konden ze de magnetische oriëntatie van het atoom omzetten. In proeven bleek het atoom na omzetting urenlang stabiel te blijven, zo rapporteren de wetenschappers in Nature. Daarvoor was het wel nodig om het atoom met vloeibaar helium op een temperatuur te houden van - 269 °C.

Rooster

Aan één enkele bit heb je natuurlijk nog niets en daarom werken hoofdonderzoeker Fabian Natterer en collega’s nu aan het naast elkaar plaatsen van meerdere holmiumatomen in een rooster. Ter vergelijking: de huidige harde schijven gebruiken zo'n 100.000 atomen om één bit op te slaan. 'Bestaande harde schijven pakken ongeveer 1 terabyte op een vierkante inch. Ons onderzoek biedt uitzicht op een duizend keer hogere dichtheid', aldus Natterer.

Qua grootte van het geheugen lopen ze op dit moment nog achter op collega-onderzoekers die op een andere manier atomair geheugen proberen te maken. Zo boekten vorig jaar Delftse onderzoekers succes met hun methode om chlooratomen op verschillende manieren op een rooster te leggen (lees: ‘Kleinste harde schijf ooit’). Op die manier hebben ze inmiddels een geheugen van 1 kilobyte gebouwd (8.192 bits)

De materiaalwetenschappers uit Lausanne werken in dit project samen met onderzoekers van IBM. Die bouwen voort op hun prestatie van een paar jaar terug, toen ze met twaalf ijzeratomen destijds de kleinste bit ter wereld bouwden (lees: ‘Bit van twaalf atomen ijzer’).
 

Dataopslag belangrijk

Dat het opslaan van steeds meer data belangrijk is voor onze maatschappij, blijkt wel uit de verschillende varianten van innovatieve 'harde schijven'. Andere richtingen waarin wetenschappers het zoeken, zijn het schrijven van data met superkorte laserpulsen (lees: ‘Dataopslag met laser, zonder warmte’) en – heel recent – het opslaan van data in DNA (lees: ‘Record voor dataopslag in DNA’. Laatstgenoemde techniek moet ervoor zorgen dat je data extreem lang kunt bewaren, tot wel duizenden jaren lang.


Openingsfoto IBM-onderzoeker Christopher Lutz in zijn lab. Bron: IBM Research. Onderstaande video komt van Cnet.