Persbericht Universiteit Leiden
30 augustus 2007
Atoom als geheugenbit
Magnetische stabiliteit van atomen voor het eerst onderzoekbaar
Leids fysicus Sander Otte maakte deel uit van een onderzoekersteam van IBM dat een methode heeft bedacht om de magnetische stabiliteit van een individueel atoom vast te stellen.
Omdat een stabiele magnetische richting de voorwaarde is voor magnetische data-opslag, zoals op een harde schijf in een computer, maakt de ontdekking de weg vrij voor de ontwikkeling van opslagsystemen op nanoschaal. Die zouden - vooralsnog theoretisch - een 10.000 maal grotere opslagcapaciteit hebben dan de systemen van nu. Vrijdag 31 augustus presenteren de onderzoekers hun resultaten in het blad Science.
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 eenduidig óf 0 óf 1 representeert. De data gaan dan verloren.
Ontwerpers proberen daarom om het hardst hoever ze kunnen gaan met het vergroten van de capaciteit zonder aan geheugenstabiliteit in te boeten.
Bottom-up aanpak
Het onderzoekersteam van het IBM Almaden Research Center in Silicon Valley, waartoe Sander Otte behoorde, besloot het probleem echter anders te benaderen, namelijk bottom-up. In plaats van bestaande technologie geleidelijk te verkleinen, wilden ze inzicht krijgen in de fundamentele eigenschappen van de kleinst denkbare magneet: één enkel magnetisch atoom
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.
Kopernitride
De onderzoekers slaagden erin de magnetische stabiliteit - fundamenteler gesproken de anisotropie - te onderzoeken van ijzer- en mangaanatomen die op een oppervlak van kopernitride lagen. Anisotropie kan namelijk niet bestaan in losse atomen, maar hangt af van de omgeving van het atoom. Kopernitride bleek door zijn speciale structuur een zeer geschikt materiaal voor hun doel.
Spin
Vervolgens legden ze een magneetveld aan waarvan ze de richting en sterkte konden aanpassen. Met behulp van de elektronen uit de STM-naald werden veranderingen zichtbaar in de spintoestand van het atoom. Spin is de kwantummechanische variant van magnetisme. Dankzij de anisotropie waren deze veranderingen bij iedere veldrichting verschillend.
IJzer net niet ideaal
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.'
Koud
Maar al zou een ander atoom dan ijzer wel geschikt zijn, dan is er voorlopig nog een obstakel voor toepassing in de praktijk van alledag: De experimenten moeten bij extreem lage temperatuur worden uitgevoerd. Otte: 'Bij kamertemperatuur wordt niet alleen de spin instabiel, de atomen blijven zelfs niet eens meer op hun plaats liggen.'
'Large magnetic anisotropy of a single atomic spin embedded in a surface molecular network'
Cyrus F. Hirjibehedin, Chiung-Yuan Lin, Alexander F. Otte, Markus Ternes, Christopher P. Lutz, Barbara A. Jones, Andreas J. Heinrich
Persbericht Universiteit Leiden
30 augustus 2007
Atoom als geheugenbit
Magnetische stabiliteit van atomen voor het eerst onderzoekbaar
Leids fysicus Sander Otte maakte deel uit van een onderzoekersteam van IBM dat een methode heeft bedacht om de magnetische stabiliteit van een individueel atoom vast te stellen.
Omdat een stabiele magnetische richting de voorwaarde is voor magnetische data-opslag, zoals op een harde schijf in een computer, maakt de ontdekking de weg vrij voor de ontwikkeling van opslagsystemen op nanoschaal. Die zouden - vooralsnog theoretisch - een 10.000 maal grotere opslagcapaciteit hebben dan de systemen van nu. Vrijdag 31 augustus presenteren de onderzoekers hun resultaten in het blad Science.
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 eenduidig óf 0 óf 1 representeert. De data gaan dan verloren.
Ontwerpers proberen daarom om het hardst hoever ze kunnen gaan met het vergroten van de capaciteit zonder aan geheugenstabiliteit in te boeten.
Bottom-up aanpak
Het onderzoekersteam van het IBM Almaden Research Center in Silicon Valley, waartoe Sander Otte behoorde, besloot het probleem echter anders te benaderen, namelijk bottom-up. In plaats van bestaande technologie geleidelijk te verkleinen, wilden ze inzicht krijgen in de fundamentele eigenschappen van de kleinst denkbare magneet: één enkel magnetisch atoom
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.
Kopernitride
De onderzoekers slaagden erin de magnetische stabiliteit - fundamenteler gesproken de anisotropie - te onderzoeken van ijzer- en mangaanatomen die op een oppervlak van kopernitride lagen. Anisotropie kan namelijk niet bestaan in losse atomen, maar hangt af van de omgeving van het atoom. Kopernitride bleek door zijn speciale structuur een zeer geschikt materiaal voor hun doel.
Spin
Vervolgens legden ze een magneetveld aan waarvan ze de richting en sterkte konden aanpassen. Met behulp van de elektronen uit de STM-naald werden veranderingen zichtbaar in de spintoestand van het atoom. Spin is de kwantummechanische variant van magnetisme. Dankzij de anisotropie waren deze veranderingen bij iedere veldrichting verschillend.
IJzer net niet ideaal
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.'
Koud
Maar al zou een ander atoom dan ijzer wel geschikt zijn, dan is er voorlopig nog een obstakel voor toepassing in de praktijk van alledag: De experimenten moeten bij extreem lage temperatuur worden uitgevoerd. Otte: 'Bij kamertemperatuur wordt niet alleen de spin instabiel, de atomen blijven zelfs niet eens meer op hun plaats liggen.'
'Large magnetic anisotropy of a single atomic spin embedded in a surface molecular network'
Cyrus F. Hirjibehedin, Chiung-Yuan Lin, Alexander F. Otte, Markus Ternes, Christopher P. Lutz, Barbara A. Jones, Andreas J. Heinrich
Voor de redactie,
Universiteit Leiden