Nano Rules!

Herbert Blankesteijn

Vier weken geleden werd hier het verhaal verteld van electronische schakelingen op molecuulformaat. IBM heeft het record miniaturisatie op dit gebied stevig in handen. Een paar Amerikaanse universiteiten verleggen inmiddels de grenzen der verkleining op een ander onderdeel: geheugen.

De universiteit van Oklahoma bijvoorbeeld. Daar is de groep van prof. Bing Fung erin geslaagd, informatie op te slaan binnenin een molecuul. Het molecuul waar het om gaat is lid van de familie van vloeibare kristallen, de materialen die worden gebruikt in platte beeldschermen en in uitleesvensters van rekenmachines en telefoons. De moleculen in kwestie zijn lang en bestaan uit veel atomen, onder andere waterstofatomen.

De onderzoekers hebben moleculen van deze stof blootgesteld aan pulsen van radiogolven, die invloed hadden op de energietoestanden van deze waterstofatomen. In het molecuul-als-geheugen moesten die energietoestanden de rol spelen van de nullen dan wel de enen. Bing Fung en zijn medewerkers zijn erin geslaagd de vloeibaar-kristalmoleculen zodanig met radiogolven te bestoken dat een plaatje van 32 bij 32 beeldpunten, vrijwel 1000 bits dus, erin werd opgeslagen. Ze konden het plaatje zelfs ongeschonden weer uitlezen. Zowel de input als de output zijn afgebeeld op Bing Fungs webpagina [cheminfo.chem.ou.edu/faculty/bmf/bmf.html].

Veel berichten in de pers over dit kunststukje zijn kort door de bocht gegaan. De informatie zou zijn opgeslagen in één molecuul. Dat is eigenlijk niet waar, omdat Bing Fung een hoeveelheid stof heeft gebruikt, dus een berg moleculen. Dat was in de eerste plaats nodig om een retoursignaal te krijgen van waarneembare sterkte. Weliswaar doen alle aanwezige moleculen hetzelfde, maar niet alle moleculen namen het plaatje foutloos op. Juist dank zij het grote aantal moleculen kon het signaal worden uitgelezen en waren de foutjes onzichtbaar in het gemiddelde signaal. Verder was de opslagduur kort: tussen een honderdste en een tiende seconde.

Wat Beet betreft gaat het kampioenschap priegelen met bits daarom naar de universiteit van Wisconsin. Daar heeft Franz Himpsel informatie opgeslagen in één atoom per bit. Hiervoor gebruikte hij de scanning tunneling microscoop (STM), een apparaat dat met een extreem fijne naald een oppervlak aftast. De STM speelde ook bij de moleculaire schakelingen van IBM een rol.

Het geheugen van Himpsel bestaat uit een oppervlak van goud waarop siliciumatomen staan opgesteld, elk op een ruimte van 20 goudatomen. Bij het aftasten van een dergelijk patroon met de STM om het oppervlak in beeld te brengen, kan er een atoom aan de naald van de STM blijven kleven. Himpsel maakte, zoals hij zelf zegt, 'van dit probleem een oplossing' door het verwijderen van een siliciumatoom te beschouwen als het schrijven van een 0. Het níet verwijderen van een atoom is dan het schrijven van een 1.

Een bit bestaat hier uit één atoom, maar neemt de ruimte in van 20 atomen, net iets minder dan in het geval van een DNA-molecuul. Daar heeft een bit 32 atomen nodig, constateert Himpsel [http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/] vergenoegd. Dat is ongeveer een miljoen maal dichter dan op een cd.

Het lezen van de geschreven informatie gaat ook met de naald, maar dan van een grotere afstand omdat het oppervlak niet beïnvloed mag worden. Zowel het lezen als het schrijven verloopt in een tergend traag tempo van ongeveer 100 bits per seconde. Dat komt doordat het signaal van één atoom zo gering is, dat de STM eventje moet kijken voor hij zeker weet of er een atoom aanwezig is.

Dit is natuurlijk een wetenschappelijk experiment. Maar ook met de best mogelijke electronica ziet Himpsel de snelheid niet hoger worden dan 10 miljoen bits per seconde, een snelheid die tien jaar geleden gebruikelijk was in commerciële harddisks. Nu doen harde schijven alweer het tienvoudige. Volgens hem komt er een tijdperk aan waarin grotere opslagdichtheden niet samengaan met hogere, maar met lagere lees- en schrijfsnelheden. De miniaturisatie maakt dat onvermijdelijk.