IBM ziet nanowereld in slowmotion

Teake Zuidema

Met de nieuwe pump-probe technologie van IBM is het mogelijk het magnetische gedrag van atomen op de nanoseconden nauwkeurig te visualiseren. Ook aan de TU Delft noemen ze dit ‘echt een doorbraak’.

‘We hebben een technologie ontwikkeld waarbij een scanning tunneling microscope zichtbaar maakt hoe de oriëntatie van het magnetische moment van een ijzeratoom zich in de tijd ontwikkelt’, zegt Sebastian Loth op een video van IBM’s Almaden Research Center. ‘We gebruiken de scanning tunneling microscope als een hogesnelheidsvideocamera die tot honderd miljoen beelden per seconde registreert en deze vertraagd weergeeft.’ Deze visualisering is volgens de onderzoeker van IBM wel een miljoen maal sneller dan tot nu toe mogelijk was.

 

Bij de ‘pump-probe’ methode wordt een ijzeratoom eerst geëxciteerd door een spanningspuls (de ‘pump’) van de STM; een hele korte tijd later meet een tweede zwakkere puls (de ‘probe’) de magnetische oriëntatie van hetzelfde atoom. Dit wordt vele malen herhaald, waarbij het aantal nanoseconden tussen de pump-puls en de probe-puls steeds groter wordt. Zo ontstaan honderduizenden beelden van het magnetische gedrag van het atoom binnen een fractie van een seconde, die dan vertraagd kunnen worden bekeken.

 

‘Het gebruik van deze pump-probe technologie hoeft zich niet te beperken tot het magnetisch gedrag van atomen’, zegt Loth in de video. ‘Wetenschappers hebben nu een methode om dynamische processen in allerlei soorten nanostructuren in een resolutie van nanoseconden te bestuderen.’ De onderzoekers geloven dat deze methode grote mogelijkheden oplevert voor het bestuderen van fotovoltaïsche processen (conversie van licht naar energie in zonnecellen) en kwantumcomputers.

 

Ook aan de TU Delft is men enthousiast over de techniek. ‘Dit is heel knap gedaan, deze methode is echt een doorbraak’, laat Herre van der Zant, hoogleraar molecular electronics and devices aan de TUD, in een reactie weten. ‘Het is voor het eerst dat de relaxatie van de spin van een atoom direct gemeten is. Wanneer je werkt aan de ontwikkeling van een kwantumcomputer, dan is het enorm belangrijk te weten hoe lang de spin van een atoom in een bepaalde richting staat. Hoe langer dat is, hoe meer tijd je hebt om er iets mee te doen.’

 

De onderzoekers van IBM hadden eerder vastgesteld dat na een verdraaiing van de spin in een bepaalde richting, een ijzeratoom gewoonlijk binnen een nanoseconde de oorspronkelijke spinrichting weer inneemt. Dankzij de pump-probe methode ontdekten ze dat deze tijd verlengd wordt tot tweehonderd nanoseconden wanneer het ijzeratoom naast een niet-magnetisch koperatoom wordt geplaatst.

 

Praktische toepassingen zijn volgens Van der Zant nog tamelijk ver weg. ‘Je moet bedenken dat dit experiment bij zeer lage temperatuur wordt uitgevoerd. Ook is de gemeten relaxatietijd van tweehonderd nanoseconden nog steeds erg kort.’ Van der Zant onderzoekt zelf de mogelijkheid om moleculen te gebruiken als bit in een geheugen of als qubit voor een kwantumcomputer. Hij werkt daarbij niet met een STM maar met een transistorachtige configuratie.

 

Maar computers die data opslaan in atomen zullen ook nog wel even op zich laten wachten. ‘Het zal waarschijnlijk nog twee tot vijf jaar duren voordat we atomen zo kunnen manipuleren dat ze data urenlang of zelfs dagenlang kunnen opslaan’, zegt Andreas Heinrich, groepsleider binnen IBM’s Alamaden lab. ‘Daarna kan het nog wel vijftien jaar duren voordat we weten of deze doorbraak ook zal resulteren in nieuwe producten.’