Delftse onderzoekers zetten stap richting opslag twee bits in één atoom

Onderzoekers van de TU Delft hebben een belangrijke stap gezet voor het kunnen opslaan van twee bits aan informatie in één enkel atoom. Ze wisten twee soorten magnetisme in een atoom afzonderlijk te manipuleren.

Het kunnen opslaan van twee bits in een enkel atoom is nog ver weg maar zou op termijn ingezet kunnen worden voor dataopslag op zeer kleine schaal. Om een enkele bit op te slaan in een atoom, kunnen onderzoekers het baanimpulsmoment gebruiken, de omwenteling van een elektron om de atoomkern. Ze kunnen ook het spinimpulsmoment inzetten, de rotatie van een elektron om zijn eigen as. De draairichtingen van beide kunnen dan de '0' of '1' vertegenwoordigen.

Het gebruik van beide fenomenen tegelijk om twee bits op te slaan, bleek tot nu toe een brug te ver. “Als je de baanrichting omdraait, dan verandert de spinrichting vrijwel altijd mee en andersom", vertelt onderzoeksleider Sander Otte. Het is hem en zijn teamleden nu toch gelukt om de baanrichting van een elektron om te keren zonder dat dit invloed had op het spinimpulsmoment.

Het team gebruikte de naald van een tunnelmicroscoop om een magnetisch ijzeratoom precies bovenop één enkel niet-magnetisch stikstofatoom te plaatsen. Het magnetisme van een atoom ontstaat doordat elektronen rondom de atoomkern draaien en kan verstoord worden door omliggende atomen. Door de exacte plaatsing van het ijzeratoom ging echter het Einstein-de Haaseffect optreden. Dit effect maakt dat een minieme rotatie van de omgeving van het atoom de omklapping van de baanrichting compenseert. Daardoor werd de spinrichting niet beïnvloed bij de manipulatie van het baanimpulsmoment.

De onderzoekers publiceren hun werk onder de titel Complete reversal of the atomic unquenched orbital moment by a single electron in het wetenschappelijke tijdschrift Quantum Materials.

Reacties (60)

[henkbob]

Wat betekent dit voor de opslagcapaciteit? Kan iemand dat vertalen naar huidige standaarden?

[5pë©ïàál_Tèkén]

Een zandkorrel heeft 3.012×10²² atomen (bron).

10²² bits = 1.25 zettabytes, oftewel 1.25 biljoen gigabytes.

[edit]
In 2020 zal er ongeveer 40 zettabytes aan informatie zijn op Aarde.
(bron)

Complete kennis van de mensheid onder je nagel.

In het artikel heeft men het over een stikstof atoom. Stikstof heeft 1 proton en 1 elektron. Als men deze techniek kan toepassen bij zwaardere (stabiele!) materialen (die meer elektronen per atoom hebben), dan kan er nog meer data worden opgeslagen.

Edit: Was in de war met waterstof

[Reactie gewijzigd door 5pë©ïàál_Tèkén op 24 juli 2024 05:03]

[camiel00]

Je laatste alinea klopt niet. Stikstof heeft atoomnummer 7 en dus zeven protonen en elektronen. Het gaat hier om de spin van het volledige atoom, niet om de spin van individuele protonen. Een zwaarder atoom betekent dus (vooralsnog) niet meer data.

[Nasha]

Klopt. (Stabiele) waterstof heeft slechts één proton in de kern.

[DaManiac]

ALLE waterstoffen (ook niet-stabiele isotopen) hebben maar 1 proton in de kern. Dat is de definitie van waterstof: atoomnummer 1, dus 1 proton.
Waterstof-2 (Deuterium) heeft 1 neutron erbij, dus massagetal 2, maar nog steeds atoomnummer 1.
Waterstof-3 (Tritium) heeft 2 neutronen erbij, dus massagetal 3, maar nog steeds atoomnummer 1.

[Nasha]

Ja, je hebt gelijk. Overbodige opmerking van mij.

[Hans1990]

Meanwhile, de wereld bevatte in 2018 naar schatting 18 zettabytes aan data. (bron: https://www.bernardmarr.com/default.asp?contentID=1846)

Wie wil er nou niet alle data op onze planeet in 15 zandkorrels (.. aan atomen) opslaan?

[Houtenklaas]

De schoonmaakster is langs geweest en heeft net je 18 zettabytes weggezogen

Praktisch nut zie ik niet 1-2-3 van de truc an sich, maar dit is natuurlijk ook om te leren hoe dit werkt en het vergaren van kennis om elders deze kennis weer WEL praktisch in te zetten, om bestaande technieken weer een stap voorwaarts te brengen. Waanzinnig dat zo'n tunnelmicroscoop op dat niveau zijn werk doet, nog knapper dat je dus ook kunt meten op dat niveau.

[Oon]

Dat is met heel veel technologie zo, toch? Als je kijkt naar de eerste flash-geheugenkaartjes, die waren nogal groot voor een paar KB aan opslag. Nu bestaat er gewoon een 100TB SSD.

Als precies hetzelfde verloop hier toepast hebben we over 5-10 jaar gewoon 'oneindig' veel opslag in de grootte van een SD-kaartje. Dan is het nog kosten drukken, maar wie weet hebben we deze als consument over 20 jaar wel in huis.

[Reactie gewijzigd door Oon op 24 juli 2024 05:03]

[Houtenklaas]

Het gave is dat het een volledig nieuw pad is. Bij veel technologie is het het verder uitdiepen van hetzelfde mechanisme. De automotor is daar een aardig voorbeeld van, het basisprincipe (benzine in een kamertje, cilinder, klap en zo) is al vanaf het begin niet wezenlijk gewijzigd. En dat geldt ook voor SSD's, tot nu toe meer variatie op hetzelfde thema. Een ander mooi voorbeeld is het beschrijven van een harddisk onder een hoek van 90 graden.

Maar dit is van een heel andere orde, ik ben erg benieuwd of de kennis ergens praktisch uit te nutten is.

[WillySis]

Met de nano technologie is men nu al zover dat men robotjes van een paar nanometer groot kan maken. Transittoren worden ook steeds kleiner. Als je echt wat met die dingen wilt gaan doen moet je ze ook een geheugen kunnen geven. Dat is nu nog een struikelpunt.

Stel je eens voor dat we straks robotjes kunnen maken van nog geen tiende millimeter groot, maar die je wel kunt kunt programmeren om van alles te doen. Geef ze wat gereedschap mee, injecteer er een paar honderd in de bloedbaan en laat ze lekker aan het werk gaan om kanker cellen te zoeken en te slopen of allerhande andere werkzaamheden of onderzoek te verrichten.

[Houtenklaas]

Daar zijn ze eigenlijk nu al heel ver mee, maar dan ook met biologische markers. Eind vorig jaar mocht ik daar zelf getuige van zijn dat een bepaald eiwit werd ingespoten die de ontvankelijkheid van het daadwerkelijke medicijn wat erachteraan kwam met vele tientallen procenten verbeterde. Hoe dan? Doordat - simpele uitleg - dat eiwit twee handjes had, één die zich verbond aan de foute cellen en de andere aan het medicijn en zo de connectie heel veel beter maakte dan voorheen, bijwerkingen liet afnemen en de werkzaamheid spectaculair verbeterde.

Bizar dat zo'n geprogrammeerd eiwit zo briljant goed werkt. Programmeren - dat was voor mij de les - is niet alleen enen en nullen op een stroom-geleidend iets, maar dat is ook moleculen africhten af een taak waar ze voor bedacht zijn. De persoon die dat bedacht heeft, mag wat mij betreft de Nobelprijs krijgen voor dat out-of-the-box denken. Als dat in de toekomst nog samengaat met nanoduikbootjes ... Dat is wel heel bijzonder!

[A Lurker]

Leuk om te lezen. Zo zie ik chemie ook. Ik had een leuk vak bij mijn opleiding Informatica dat heette Formal Modeling in Cell Biology, en daarin heb ik wat geleerd over hoe moleculen interacteren met een complex systeem als een cell. En hoe dat te modelleren op informatica-achtige wijze.

Dingen als oplosbaarheid in water, door celwanden kunnen geraken zijn belangrijke eigenschappen en kan soms veranderen door een enkel atoompje erbij. Dat is ook de reden dat een vitamine en gif vaak heel erg op elkaar kunnen lijken. Een giftige stof is in de basis dan ook niks anders dan iets dat een belangrijk proces in de cellen blokkeert.

Dat lijkt voor mij best op programmeren, de moleculen zijn je programmastatements en de cellen je classes. Het organisme is de codebase.

[Reactie gewijzigd door A Lurker op 24 juli 2024 05:03]

[cold_as_ijs]

verwacht dat de grootste uitdaging gaat zijn het uitlezen van de data zonder de data te beinvloeden. Nu hebben ze met een TEM gebruikt om dit te veranderen, maar als je het niet kan uitlezen heb je er voor data natuurlijk weinig aan. Maar dat is in dit geval niet erg want dit is fundamenteel onderzoek.
Wel super gaaf dat dit gedaan is hoor. Dit soort onderzoek brengt de mensheid verder

[Hiub]

Nu bestaat er gewoon een 100TB SSD.

Haha terwijl ik het las mompelde ik in mezelf, "dat zal vast meer kosten dan dit huis". Na een check op die site: het viel enigszins mee, maar alsnog (een stuk) meer dan de verbouwing

[Oon]

Goedkoop zijn ze niet inderdaad, maar het is ook wel echt een beest

[kimborntobewild]

Nu bestaat er gewoon een 100TB SSD.

Dat is gewoon een rijtje normale SSD's naast elkaar.

[CeesieG]

In bijna 5 zandkorrels zelfs.

Een zandkorrel heeft 3.012×10²² atomen

[The_Woesh]

Misschien kan dit nuttig zijn in de nanorobotica? Kleine robots ter grote een van bacterie die allerlei 'taken' kunnen vervullen.
Bijvoorbeeld het lichaam herstellen.
Die robots moeten een soort harde schijf hebben om ze te programeren...

Hoewel nu nog heel theoretisch wel super interessant

[ajolla]

Wat voor data? Alleen elektronisch en op papier. De positie van iedere individuele zandkorrel is óók data. En de toestand van ieder individueel atoom in die zandkorrel ook, om van hun 2 spinmomenten nog maar niet te spreken.

Er is dus veel meer data dan wij ooit zullen kunnen opslaan.

[Hans1990]

Zie bron:

This is the total of all data created, captured or replicated.

Data die door de mens is gemaakt of gemanipuleerd dus.

Inderdaad, er is ontzettend veel entropie in systemen rond om heen dat te manipuleren valt (met name om micro schaal). Dit artikel is denk ik met name daardoor interessant, want de orde grootte (een paar zand korrels) om onze "digital human era" even op te slaan geeft aan dat er nog veel te leren (pun intended) valt..

[wica]

Kan je nagaan wat wij voorstellen

[Blue-eagle]

En er zijn 10x zoveel sterren in de hemel dan er zandkorrels zijn op aarde. Stel je eens voor hoeveel data d'r in het universum bestaat

[fastedje]

In theorie is een de Planck length de kleinst mogelijke afmeting (1.6 * 10^-35 m). Je zou een kubische Planck kunnen zien als een bit. Het universum is ca. 10^27 m. Als we ooit informatie op Planck niveau kunnen opslaan dan kunnen we nog onvoorstelbaar veel meer data opslaan dan op atoomniveau (3*10^-11 m tot 3*10^-10 m).

[Lethalshot]

Helaas blijkt dat niet inhoud, maar omvattend oppervlak bepaald hoeveel informatie er kan worden opgeslagen. De informatiedichtheid is dan wel met de planckschaal opgedeeld in oppervlakte secties.

Grappig detail is dan ook weer dat de grootte van een 'event horizon' van een zwart gat bepaald wordt door de hoeveelheid informatie die in het zwarte gat is gevallen.

[ajolla]

Haal je hier geen volume en lengte door elkaar? (m^3?)

[5pë©ïàál_Tèkén]

Half life 3 is out there!

[JeffreyGorissen]

Alle data bestaat in π

[ajolla]

(citation needed)

[Kain_niaK]

Inclusief wiskunding bewijs dat het niet zo is.

[scholtnp]

Het feit dat pi inderdaad alle mogelijke sequenties van getallen bevat, maakt dat je zelfs een filesystem kan bedenken dat geen data bevat, behalve de pointer naar het eerste cijfer in de pi reeks en de lengte ervan. Zie pi-fs.

Een nieuw probleem is dan wel dat deze pointer groter is dan je oorspronkelijke data... dus een onpraktisch idee.

[RuudBurger]

pi-fs gebruiken om dat pointers in op te slaan: https://github.com/philipl/pifs/issues/58

[Joen7]

In de berekening achter die uitspraak gaat men meestal uit van het zand op alle stranden. Soms worden woestijnen ook nog meegerekend, maar zeebodems en overige terreinen zitten daar niet bij.

[kimborntobewild]

Bovendien klopt 't niet; ook niet als je alléén het zand van de stranden neemt: er zijn dan veel meer korrels zand dan sterren.

[.ScorpionSquad]

Stikstof bestaat helemaal niet uit een enkel proton en elektron, dat is waterstof. Het atoomnummer van stikstof (N) is 7, en een niet geïoniseerd stikstofatoom heeft dus 7 protonen en 7 elektronen.

Ik snap eerlijk gezegd ook niet wat je met stabiel in relatie tot dataopslag bedoelt, want zowel waterstof en stikstof hebben stabiele isotopen. Het gebruik van een groter atoom dan stikstof is ook absoluut geen garantie voor een hogere opslagcapaciteit. Deze techniek is zeer afhankelijk van de precieze elektronconfiguratie van beide atomen en ik durf wel te stellen dat de elementencombinaties waarmee dit mogelijk is zeer beperkt zijn. Zomaar het stikstof vervangen voor silicium of germanium gaat in ieder geval niet werken.

Verder is je berekening natuurlijk niet helemaal juist: je hebt nog steeds 2 atomen nodig om deze 2 bits in een atoom op te slaan. Dit staat nog los van de atomen waar de STM-naald uit is opgebouwd, en dat stikstofatoom ligt natuurlijk op een substraat. Deze techniek kan, en gaat ook niet werken zonder deze 2 elementen in welke vorm dan ook.

[Reactie gewijzigd door .ScorpionSquad op 24 juli 2024 05:03]

[koelpasta]

10²² bits = 1.25 zettabytes, oftewel 1.25 biljoen gigabytes.

Zoveel opslagelementen op een hoop gaat natuurlijk niet werken.
Je moet namelijk de data naar en van elk atoom moeten kunnen transporteren.
Bedenk dus dat aan elk 'opslagatoom' je een hele lange rits aan 'transportatomen' nodig hebt.
Uitendelijk heb je ontzettend veel meer van die transportatomen nodig dan opslagatomen. Denk aan miljarden miljarden transportatomen voor 1 opslagatoom.
En hiermee neemt de informatiedichtheid van zulk geheugen gigantisch af.

[pablo_p]

Je eerste alinea klopt ook niet.
- 3.012x10^22 is het aantal atomen in een gram (staat ook in je bron).
- het aantal atomen in een zandkorrel is volgens dezelfde bron: 4.33×10^19 (aangezien een zandkorrel volgens die inschatting 1.4 mg weegt).

[BadRespawn]

Complete kennis van de mensheid onder je nagel.

Dan hebben we het even nog niet over hoeveel atomen er nodig zijn om het uit te lezen.

[Droxal]

In 2020 zal er ongeveer 40 zettabytes aan informatie zijn op Aarde.

40 zandkorrels groot dus

[Reactie gewijzigd door Droxal op 24 juli 2024 05:03]

[Sando]

In 2020 zal er ongeveer 40 zettabytes aan informatie zijn op Aarde.

Ik ben benieuwd hoe groot de kubus aan harde schijven en andere opslag is waar dit op staat, en wat de gemiddelde redundantie is. Hoe kwetsbaar is deze data?

Stel er gebeurt eens een event in een land, ramp, EMP, solar flare, meteoriet-inslag, nucleare explosie of iets anders wat ik zo snel niet kan bedenken. Hoeveel data zijn we dan kwijt, en hoeveel is redundant opgeslagen in andere landen?

Zou het meer of minder zijn dan we denken?

[5pë©ïàál_Tèkén]

Ik denk dat als er een ramp van die schaal plaat vind dat data redundancy niet helemaal bovenaan de lijst staat .
De Amazon en Microsoft cloud diensten hebben data 3x of 4x redundant opgeslagen. D.w.z. elke bit aan data staat elders 3x opgeslagen. Dat kan in het zelfde datacentrum zijn of over de grens/ander continent.
Redundancy is er niet om data ten koste van alles op te slaan. Het gaat er om dat de data redelijkerwijs toegankelijk en veilig is.
Databoeren roepen wel dat ze allemaal super veilig zijn met 99.99% dit en dat, maar er waren meer clubjes die dat riepen voor de corona kuch langskwam. En de meeste van die clubjes piepen nu een heel ander verhaal. Oftewel die 99.99% is er voor 'normale' tijden (als in er is geen enorme zonnevlek activiteit, geen inside job terreur data whipe acties etc). Als de 'normale tijden' niet meer van toepassing zijn, dan gelden de voorheen gemaakte beloftes niet meer. Dat boeit dan ook niet zo want de wereld heeft dan iets anders te doen

[smokeyslim]

42

[er0mess]

baanimpulsmoment = ergens omheen draaien (bv de aarde om de zon)

spinimpulsmoment = om eigen as draaien (bv de zon die om zijn eigen as draait)

Kan het fout hebben...

[.ScorpionSquad]

Fysici krijgen überhaupt de kriebels van dergelijke terminologie. Om precies te zijn draait een elektron helemaal niet om een atoomkern, maar heeft deze een waarschijnlijkheidsverdeling voor zijn locatie rondom de atoomkern. Spin is eigenlijk ook niet te definiëren als het draaien van een elektron om zijn eigen as.

Waarom wordt dit dan toch gebruikt? In de quantumtheorie gaat men er initieel van uit dat een atoom wel een klassiek systeem is, om via de schrödingervergelijking er uiteindelijk het correcte verhaal uit te krijgen (even heel erg kort door de bocht).

[slowdive]

Daar speelt ook de historie bij mee. De atoommodellen van eind 19e/begin 20e zagen een atoom als een soort klein planetenstelsel. Later bleek dat met dit model niet allennatuurkundige verschijnselen te verklaren zijn. Met een wiskundig model (dat weinig tot niets met een verkleind planetenstelsel te maken heeft) lukt dat veel beter. Toch gebruiken we ook in het onderwijs nog steeds die oude modellen bij de introductie van atomen. Daarmee is het concept van deeltjes, banen, bindingen etc. uit te leggen zonder het (voor de meeste mensen) gruwelijk moeilijk te maken (ook al is dat natuurkundige meer correct).

[kimborntobewild]

In feite is nog helemaal niet bekend hoe 't exact zit met electronen en andere elementaire deeltjes.

[Anoniem: 1411436]

Dus als je de baanrichting wil veranderen maar de spin wil behouden moet je steeds een magnetische atoom op een andere zetten en weer weghalen als die van 0 naar 1 en terug moet?
Dat klinkt niet erg praktisch.

[Standeman]

Dit is fundamenteel onderzoek. Daar zitten sowieso geen praktische kanten aan, alleen vergaring van kennis.

Mogelijk dat het over 20 jaar via-via leidt tot een praktische toepassing.

[RoamingZombie]

Verschilt niet zo veel van hoe een transistor in principe werkt en daar zijn SSD's uit opgebouwd.

Simpel gezegd.

[Rob Coops]

Wow, dat is toch wel heel erg gaaf dat het kan en zo maar als ik het zo hoor is het toch nog wel heel erg de vraag of deze actie geen effect zal hebben op andere atomen die zich toevallig naast deze atoom bevinden. Ondanks dat heel erg mooi is dat het kan en zo, zal er voorlopig nog vele jaren aan research moeten gebeuren voor je ook maar kan denken aan opslag op atoom formaat. Met een tunneling microscoop een atoom bewerken is leuk en zo maar die dingen zijn nu niet bepaald klein en handzaam en ook denk ik (nog nooit zo'n ding in het wild mogen aanschouwen) dat ze redelijk gevoelig zijn voor dingen als schokken en zo...

Geen idee of het idee van meer dan een bit opslaan in een atoom binnen nu en 10, 50, 100, of 200 jaar voor een consument mogelijk zal zijn, dus of dit en wanneer dit mogelijk zal worden buiten een extreem gespecialiseerde lab omgeving en op een iets grotere schaal dan 2 bits op slaan durf ik al helemaal niet te gokken maar ik vermoed dat het heel goed mogelijk is dat ik al een tijdje dood ben voor het zo ver zal zijn.

[5pë©ïàál_Tèkén]

Als er dan bitrot plaats vindt, ontstaat er dan een zwart gat? Of gebeurt dat wanneer je atoom formatteert?

Ik ben benieuwd hoe houdbaar deze methodiek is. Welke kracht is er nodig om deze magnetische balansen te verstoren? Komen deze krachten (veel) voor in het dagelijks leven?

[WhatTheFuck]

Met zulke hoeveelheden opslag kun je natuurlijk data best redundant opslaan.

[q2no]

....om uiteindelijk terug te gaan naar data centrum gemaakt van een kleitablet, ter grote van de Rosetta steen.

[koelpasta]

Als er dan bitrot plaats vindt, ontstaat er dan een zwart gat? Of gebeurt dat wanneer je atoom formatteert?

Waarom denk je dat er bij dit proces zwarte gaten zouden ontstaan?

[DirtyBird]

Dát, of Elvis komt terug. Het zal in ieder geval iets van schriftuurlijke proporties zijn gezien de moeilijke woorden in het artikel.

[ajolla]

En kun je ze überhaupt uitlezen?

[ajolla]

Als ik het goed begrijp heb je twee atomen nodig voor 2 bits.
Maar inderdaad, een stap op de weg ernaartoe.

[kevlar01]

Als ik het artikel begrijp (als überleek op dit gebied), is het magnetisme van die atoom dus erg gevoelig voor wijzigingen van buitenaf. M.a.w. je kan de 0 of 1 van het draaiende atoom gemakkelijk beïnvloeden van buitenaf (waardoor je data uiteindelijk corrupt raakt). Lijkt me niet gewenst(understatement).

2 bits opslaan op een atoom in een testlab is stap één uiteraard. Het in een stabiele vorm krijgen bij de consument is stap 3012*10^22

[Reactie gewijzigd door kevlar01 op 24 juli 2024 05:03]

[vinz98]

Je hebt gelijk als het om verstoren van de spin en dus dataverlies gaat, het geeft ook twee voordelen: je kunt de boel uitzetten wanneer gewenst. En het is dan wellicht ook mogelijk te kunnen herprogrammeren door her en der spinrichtingen te veranderen. Dus je krijgt een herschrijfbaar medium. Top dit