Atoom als geheugencel

Atoom als geheugencel
www.kennislink.nl, augustus 2007
Natuurkundige Sander Otte beschrijft in het blad Science een manier om de magneetvelden van atomen door
te meten. Otte werkte samen met een team van IBM, dat wil weten of de atomen stabiel genoeg zijn om als
computergeheugen te dienen.
Harde schijven wemelen van de magneetvelden. Een noordpool omhoog of omlaag gericht, dat is de manier waarop computers
hun nullen en enen bewaren. Om meer informatie op een harde schijf te krijgen, moeten de magnetische gebiedjes steeds verder
krimpen. De absolute ondergrens is die van het atoom zelf: nog geen miljardste meter. Een harde schijf met atomen als
geheugenplaatsen – voorlopig bestaat het alleen op papier – zou een 10.000 maal grotere opslagcapaciteit hebben dan de
systemen van nu. Maar zijn atomen wel magnetisch stabiel?
Hoe kleiner hoe instabieler
Hoe kleiner de magnetische elementjes ('bits') op een harde schijf, hoe groter de opslagcapaciteit. Het probeem is dat
magnetische bits juist minder stabiel worden naarmate ze kleiner worden. De warmte van de omgeving kan dan al voldoende
energie leveren om de magnetische richting van een materiaal om te klappen, zodat een bit niet meer uit te lezen is als óf 0 óf 1.
De informatie gaat dan verloren. Ontwerpers proberen daarom hoever ze de geheugencapaciteit kunnen vergroten zonder
instabiele bits te krijgen.
Het onderzoekersteam van het IBM Almaden Research Center in Silicon Valley, waar Sander Otte deel van uitmaakt, besloot het
probleem echter anders te benaderen, namelijk bottom-up. In plaats van bestaande technologie geleidelijk te verkleinen,
bekeken ze de kleinst denkbare magneetcel: één enkel magnetisch atoom.
Een magnetisch ijzeratoom op een ondergrond van koper en kopernitride.
Scanning Tunneling Microscoop
Otte: 'IBM Research heeft daar de unieke uitrusting voor in huis. In de jaren '80 ontwikkelde het de Scanning Tunneling
Microscoop (STM), die losse atomen op een oppervlak niet alleen kan bekijken, maar ook kan oppakken en terugplaatsen zonder
het materiaal blijvend te beschadigen. Sindsdien is IBM koploper op dit gebied.' De STM is een tastmicroscoop. Een scherpe
naald komt vlakbij het oppervlak en kan daar lokaal elektronen aan toe voegen.
De onderzoekers onderzochten met hun tastmicroscoop de magnetische stabiliteit (anisotropie) te onderzoeken van ijzer- en
mangaanatomen. Die lagen op een oppervlak van kopernitride, want anisotropie hangt direct af van de omgeving en
kopernitride bleek door zijn speciale structuur een zeer geschikt materiaal.
De dunne naald van een scanning tunneling microscope 'voelt' atomen op een oppervlak door een kleine elektrische lekstroom tussen
naald en atomen.
Spin
Met een magneetveld en elektronen uit de STM-naald onderzochten Otte en de IBM-groep de stabiliteit van een serie atomen.
Otte: 'IJzer kwam het dichtst in de buurt van het ideaal. Het vertoonde ten eerste een sterke magnetische voorkeursrichting, en
ten tweede was de polarisatie in die richting stabiel; de hoeveelheid benodigde energie om hem naar de andere kant te laten
omklappen was redelijk hoog.' Dit zijn de twee voorwaarden voor data-opslag. Toch bleek het door andere factoren daarvoor
helaas niet geschikt. 'Maar dat geeft niet; dit waren pas de eerste atomen die we bekeken. Veel belangrijker is dat we nu een
methode hebben om anisotropie in kaart te brengen.'
Te koud voor de harde schijf
Als een ander atoom dan ijzer wel geschikt zou zijn, dan is er voorlopig nog een obstakel voor toepassing in de praktijk van
alledag: De experimenten worden namelijk bij extreem lage temperatuur worden uitgevoerd. 'Bij kamertemperatuur wordt niet
alleen het magneetveld instabiel, de atomen blijven zelfs niet eens meer op hun plaats liggen', legt Otte uit.