RU-wetenschappers verwachten atomaire informatieopslag bij kamertemperatuur

Onderzoekers van de Radboud Universiteit zijn erin geslaagd met een nieuwe methode informatie op een atoom op te slaan. De wetenschappers demonstreerden de techniek bij lage temperaturen, maar verwachten dat het ook bij kamertemperatuur werkt.

Het gaat om magnetische opslag op een enkel atoom. Daarmee is het Nijmeegse team niet het eerste; in maart vorig jaar slaagde een IBM-onderzoeksteam daar ook al in. Een probleem bij de pogingen voor atomaire informatieopslag is de stabiliteit. Magnetische atomen zijn voor deze toepassing extreem gevoelig voor hun omgeving.

Voorgaande experimenten maakten gebruik van de draaiimpuls, of het impulsmoment van elektronen. De elektronen in een atoom draaien namelijk in een baan rondom de nucleus, maar draaien zelf ook. De hoeveelheid spin zorgt voor magnetisme. Om hiervan gebruik te kunnen maken voor informatieopslag, is nodig dat de draaiing van het atoom wordt stilgezet. Dat lukte de IBM-onderzoekers, maar de experimenten slaagden alleen bij -233 graden Celsius.

De onderzoekers van de Radboud Universiteit gebruikten voor hun demonstratie een kobaltatoom op een oppervlak van halfgeleidende, zwarte fosfor. Voor de opslag van informatie creëerde het team een verschil in energie tussen de elektronenbanen van het kobaltatoom. De staat van de banen is elektrisch te lezen en te schrijven zonder de spingevoeligheid van andere methoden.

De Nijmeegse vinding levert bovendien vier afzonderlijke staten op, wat de weg opent naar multibitregisters. Het uitlezen gebeurde met een scanning tunneling microscope in een vacuüm op een temperatuur van -268,75 graden Celsius. De onderzoekers verwachten echter dat een groter verschil in energie tussen de elektronenbanen te creëren is. In combinatie met de stabiliteit brengt dat werking op kamertemperatuur binnen handbereik.

De onderzoekers waarschuwen dat een toepassing in de praktijk nog ver verwijderd is. Het onderzoek is in Nature Communications verschenen onder de titel An orbitally derived single-atom magnetic memory. Nature Communications.

Waargenomen grondstaten van de kobaltatomen

Reacties (27)

[Mitsuko]

De elektronen in een atoom draaien namelijk in een baan rondom de nucleus, maar draaien zelf ook.

Even muggenziften, maar dit is natuurlijk een klassiek plaatje en komt niet overeen met de werkelijkheid. "Spin" is een puur kwantummechanische eigenschap die bij metingen slechts 2 eigentoestanden aan kan nemen.

Een klassiek voorbeeld: Stel je splitst een straal elektronen verticaal in ↑ en ↓ toestanden. Vervolgens neem je alle elektronen met de ↑ toestand en splitst ze nu horizontaal in ← en → toestanden. Dan neem je alle elektronen met de ← toestand en splitst ze weer vertikaal in ↑ en ↓ toestanden. Hoeveel ↓ toestanden verwacht je te zien?

Klassiek gezien verwacht je wellicht dat het antwoord 0% is - je hebt alle ↓ toestanden in de eerste stap immers weggegooid. Maar het juiste antwoord is 12.5% (50% van de overgebleven elektronen): door de tweede (horizontale) splitsing heb je alle elektronen gedwongen om een keuze te maken tussen de ← en → eigentoestanden van die meetopstelling, en aangezien de ← en → toestanden haaks staan op de ↑ en ↓ toestanden is er weer een 50% kans op allebei.

[Reactie gewijzigd door Mitsuko op 28 juli 2024 00:20]

[Verwijderd]

"Spin" is een puur kwantummechanische eigenschap die bij metingen slechts 2 eigentoestanden aan kan nemen.

Wat is de reden dat het woord spin hier word gebruikt? Is naar mijn idee vrij misleidend

[Leanderable]

Dit heeft te maken met een analogie naar eerder bekende natuurkunde. Een geladen deeltje dat draait ('spin' heeft) krijgt een magnetisch moment. Een elektron beschikt ook over zo'n magnetisch moment, maar omdat een elektron een puntdeeltje is (i.e. het beschikt niet over een fysisch volume), is er geen sprake van 'draaien'. Aangezien een elektron blijkbaar wel over een magnetisch moment beschikt, hebben ze hier eveneens de term 'spin' aan gekoppeld. De term is dus aan een elektron gekoppeld aan de hand van de gelijkendheid van deze eigenschap met een klassiek voorbeeld.

[OddesE]

omdat een elektron een puntdeeltje is (i.e. het beschikt niet over een fysisch volume)

Maar dit is toch ook maar een model van de werkelijkheid? Het lijkt mij persoonlijk zeer ongelofelijk dat een elektron daadwerkelijk 0 volume heeft.

[MSalters]

Het probleem met het concept "volume" is dat het niet meer werkt op deze schaal. Dat is niet ongewoon, er zijn een heleboel fysische eigenschappen die niet op kleine schaal werken. Ruwheid bijvoorbeeld werkt ook niet meer, of viscositeit.

[84hannes]

Ruwheid bijvoorbeeld werkt ook niet meer, of viscositeit.

offtopic:
Of deeltjes. Ik kan de hele "deeltjes- en golfdualiteitsdiscussie" niet volgen omdat ik denk dat deeltjes een model zijn: we kunnen ons een skipiebal voorstellen, en een knikker, dus dan is het eenvoudig extrapoleren naar een heel klein deeltje. Dat er in werkelijkheid helemaal geen deeltjes (of golven) bestaan is veel te abstract voor de meeste mensen.

[twizzle]

Een elektron wordt als een puntdeeltje gezien maar we kunnen dit niet nameten.

Voor een gebonden elektron geld

Energie = -ze2/4πε0r
(z=atoomnummer en r is radius).

Maar wanneer 2 verschillende elektronen een verschillende 'spin' hebben kunnen ze zich op dezelfde locatie bevinden

[dindr]

Ik snal er he-le-maal niks van. Prachtig dat we mensen hebben die dit soort zaken begrijpen!

[Mocro_Pimp®]

Check op Youtube de Space Time series van PBS.

Daar ben je wel een paar maanden mee zoet.

[OddesE]

Ik heb het allemaal gekeken maar ik snap er nog steeds geen bal van

[Mocro_Pimp®]

Het is ook zo gek niet dat je het niet snapt.

Er gebeuren dingen die onverklaarbaar zijn. Wel getheoriseerd, maar onverklaard. Eigenlijk snapt niemand het nog.

De realiteit is verwarrend.

[Reactie gewijzigd door Mocro_Pimp® op 28 juli 2024 00:20]

[Username3457829]

Ik snap jou niet eens.

[Mocro_Pimp®]

^{*Geestverruimende narcotica vereist}

[CharlesND]

[...]
Even muggenziften, maar dit is natuurlijk een klassiek plaatje en komt niet overeen met de werkelijkheid. "Spin" is een puur kwantummechanische eigenschap die bij metingen slechts 2 eigentoestanden aan kan nemen.

Een klassiek voorbeeld: Stel je splitst een straal elektronen verticaal in ↑ en ↓ toestanden. Vervolgens neem je alle elektronen met de ↑ toestand en splitst ze nu horizontaal in ← en → toestanden. Dan neem je alle elektronen met de ← toestand en splitst ze weer vertikaal in ↑ en ↓ toestanden. Hoeveel ↓ toestanden verwacht je te zien?

Klassiek gezien verwacht je wellicht dat het antwoord 0% is - je hebt alle ↓ toestanden in de eerste stap immers weggegooid. Maar het juiste antwoord is 12.5%: door de tweede (horizontale) splitsing heb je alle elektronen gedwongen om een keuze te maken tussen de ← en → eigentoestanden van die meetopstelling, en aangezien de ← en → toestanden haaks staan op de ↑ en ↓ toestanden is er weer een 50% kans op allebei.

Ik snap de berekening van dit verhaal niet helemaal. Als iedere keer dat de toestanden-splitsing haaks op de bestaande toestanden staat en de elektronen daar gedwongen worden in een nieuwe toestand, en de kans 50% is op elk van die nieuwe toestanden dan verwacht ik na de laatste splitsing ook weer 50% ↑ en 50% ↓ te zien. Waar die 12,5% vandaan komt snap ik dan niet zo.

Ik kom alleen op die 12,5% uit met een heel simpele redenatie. Die straal elektronen met toestanden ↑ en ↓ wordt gesplitst. Bij de volgende splitsing in ← en → moeten de elektronen een keuze maken en verdwijnt dus de hele toestand ↑ en ↓ en wordt omgezet in twee identieke stralen met elektronen met toestanden ← en → En elke straal heeft de halve intensiteit. Nog een keer een keuze laten maken en de twee stralen in toestand ← en → splitsen in vier identieke stralen met toestanden ↑ en ↓ En een kwart van de oorspronkelijke intensiteit. De helft van die elektronen bestaat uit ↑ dus dat is 12,5%...

Waarom elektronen maar 2 toestanden mogen aannemen en hoe ze van de ene in de andere toestand komen weet ik ook niet maar erg bijzonder vind ik dit klassieke kwantummechanische probleem niet... Of maak ik ergens een gigantische gedachtenfout??

[Mitsuko]

Na iedere keuze gooi je de helft van de elektronen weg - na de eerste keuze bewaar je alleen de bovenhelft, na de tweede keuze bewaar je alleen de linkerhelft (dus 25% van de oorspronkelijke straal). Na de derde keuze hou je inderdaad nog 12.5% (1/8) over. Sorry, het is een beetje moeilijk uit te leggen zonder plaatjes waar dat soort details in één oogopslag te zien zijn Misschien helpt het om eerst het klassieke beeld te bekijken:

Stel je voor dat het echt een rotatie was, dat de elektron fysiek om zijn eigen as zou draaien (zoals de aarde). Een elektron is elektrisch geladen, dus dan krijg je een klein beetje stroom in een cirkel. Dat genereert een magnetisch veld, en als je een denkbeeldige pijl door de as heen trekt geeft dat de richting van het magnetische veld. Zo'n pijl heeft natuurlijk een x, y en z component (met lengte afhankelijk van de lading en de rotatiesnelheid). Een beetje zoals in dit plaatje (OK dat is geen bal, maar het idee is hetzelfde).

Stel nu dat je een magnetisch veld aanzet waar een stroom van elektronen doorheen gaat, met de min-pool boven en de plus-pool beneden. In het klassieke beeld verwacht je nu dat elektronen waarvan het magnetische veld naar boven wijst (met een positieve y-component) naar boven worden getrokken en elektronen waarvan het magnetische veld naar beneden wijst (met een negatieve y-component) naar beneden worden getrokken. Inderdaad zie je dat een splitsing ontstaat, met één helft naar boven en één helft naar beneden.

Maar in dit beeld heeft het veld van elektronen ook een x-component. Als je de bovenhelft van de opgesplitste straal dus door een horizontaal magnetisch veld heen stuurt verwacht je dat er weer een splitsing plaats zal vinden afhankelijk van de (onbekende) x-component, met één helft naar rechts en één helft naar links. Ook dit zien we in experimenten terug.

Nu weet je zowel de x- als de y-component van het magnetische veld van de elektronen. Stel dat je de linkerhelft van de (twee keer) opgesplitste straal neemt en die weer door een verticaal veld heen stuurt, dan verwacht je dat alle elektronen naar boven afgebogen zullen worden - je had immers alleen de elektronen overgehouden met een positieve y-component. Maar in plaats daarvan zie je dat slechts de helft naar boven wordt afgebogen - de andere helft gaat naar beneden.

Dit geeft aan dat de x- en y-component niet onafhankelijk zijn van elkaar! Het klassieke beeld van een roterend deeltje met een magneetveld in een specifieke richting kan dus niet kloppen.

[Reactie gewijzigd door Mitsuko op 28 juli 2024 00:20]

[g4wx3]

doet denken aan de stelling van Bell.
Je laat een lichtbundel vallen door 3 polariserende filters.
De 1ste filter richt de lichtstralen, de 2de staat op 90°, en blokt de doorgekomen lichtstralen.
De derde schuif je nu tussen de 1ste en de 2de en heb je terug licht dat er door schijnt.
Het lijkt onmogelijk, daarom een filmpje.

https://nl.wikipedia.org/wiki/Stelling_van_Bell
https://www.youtube.com/watch?v=zcqZHYo7ONs

[Reactie gewijzigd door g4wx3 op 28 juli 2024 00:20]

[Unipuma]

Als je dit zelf in actie wilt zien:
Neem drie polarisatie glaasjes (bijvoorbeeld van twee 3d brillen die je bij een 3D film krijgt).

Houdt vervolgens twee glazen op elkaar en draai ze ten opzichtte van elkaar. Het filter laat alleen fotonen door die in dezelfde richting gepolariseerd zijn. Als je de twee filters ten opzichtte van elkaar draait, kun je er voor zorgen dat filter 1licht op vertikaal filtert en filter 2 op horizontaal (90 graden gedraaid). De glazen lijken nu zwart.
Breng vervolgens een glas er tussen in en draai het 45 graden ten opzichtte van de andere twee. Er komt nu (12.5%) licht doorheen, omdat tussen filter 1 en filter 2 er een nieuwe 'keuze' gemaakt moet worden door de fotonen, waardoor ze na het tussenliggende filter weer 50% kans op horizontaal en 50% kans op vertikaal hebben, en dus gedeeltelijk door filter 2 heen komen.

[nexhil]

Ik lees het artikel, ik lees jouw reactie. Ik krijg gewoon een soort van vastloper. It’s not you, it’s me.

[paradoXical]

Kan me nog goed een symposium op de RU herinneren op de faculteit, naar ik denk, scheikunde. Ging over opslag van data in DNA. Zal in 2004 of 2005 geweest zijn. Nooit meer iets over gehoord of gelezen, maar klonk erg interessant. Dit soort onderzoek vind niet altijd (snel) zijn weg naar een toepassing voor consumenten volgens mij

[mh04]

Op dit gebied wordt opnieuw bijzonder interessant onderzoek gedaan aan de Radboud Universiteit.

Prof.dr. Nolte heeft vorig jaar voor de tweede keer na zijn emeritaat een ERC Advanced Grant toegekend gekregen. Hij probeert om informatie op te slaan op polymeerketens. De Nolte-groep ontwikkelt en onderzoekt al enkele decennia een supramoleculaire 'kooi', die ze nu willen combineren met zoiets als de schakelbare 'molecular machines' van Feringa (Nobelprijswinnaar uit Groningen).
Het idee is om met licht het systeem zo te schakelen, dat het twee verschillende chirale vormen weg kan schrijven op een polymeerketen, die vervolgens weer uit te lezen zijn als 1 en 0. Zo moet een enorm hoge informatiedichtheid te behalen zijn.

Voor meer info:
https://www.ru.nl/english...nolte-erc-advanced-grant/
https://www.narcis.nl/res...ID/OND1362444/Language/nl

[paradoXical]

Dank je voor de interessante (!) info.

[Aial0n]

Bovenstaande is doorgaan op de bekende weg: je wil een kleine switch hebben, die elektrisch uit te lezen valt. Kleiner dan silicium komen we automatisch op single atom uit. Oude systeem, nieuwe generatie.
Hoewel we allicht niet exact dit systeem in onze huiskamer-pc'tjes krijgen, zou een vergelijkbaar systeem denkbaar zijn.

Opslag in DNA is een heel ander straatje aan denken. Het oude systeem is 'gewoon' storage hebben en dmv raid-opstellingen en back-ups onszelf te beveiligen tegen drive failure. DNA-opslag kan in potentie error-correction op zichzelf toepassen en door DNA-replicatie z'n eigen back-up vormen. Een volledig nieuwe benadering van het probleem, en dat gebruikmakend van een andere techniekrichting (biochemie ipv anorganische chemie).
Kan wellicht ooit een niche-toepassing vervullen, if ever.

[zonderb]

Daar zijn ze nog steeds actief mee bezig.

[Frozen]

RU-wetenschappers deden mij in eerste instantie denken aan Russische wetenschappers, toch ben ik content dat wij in Nederland over zulke diepgaande kennis beschikken.

[andypieters]

Haha, ik dacht precies hetzelfde.
Maar, als je de link bekijkt, zit er wel minimaal 1 rus bij het team.
Alexander N. Rudenko
Theoretical Physics and Applied Mathematics Department, Ural Federal University, Ekaterinburg, Russian Federation, 620002

Dus op zich klopt het ook nog!

[maali]

dan krijg je straks wel van 'kut, waar ligt mijn 128GB stickje van 0,001mm nou?'