geheugen

De proefopstelling. Klik voor een vergroting. Bron: artikel

Korte film opgeslagen in een gaswolk

Laat een reactie achter / Techniek, Wetenschap / Door / 11 mei 2012

Onderzoekers zijn er al jaren eerder in geslaagd om afbeeldingen op te slaan in een wolkje rubidiumatomen. Nu zijn ze een stap verder gegaan.

Dit korte filmpje bewijst dat het kan: meerdere beelden achter elkaar opslaan in hetzelfde gaswolkje.
Dit korte filmpje bewijst dat het kan: meerdere beelden achter elkaar opslaan in hetzelfde gaswolkje.

Voor kwantuminternet en kwantumcommunicatie in het algemeen is het nuttig om kwantuminformatie op te kunnen slaan. Een van de bruikbaarder manieren om dit te doen houdt fotonen en kleine wolkjes rubidiumgas in. Rubidium is een zacht, zwaar metaal met een zeer laag smeltpunt van 39 graden. Het lijkt chemisch op natrium en kalium: rubidium is een alkalimetaal.

De elektrische energieniveaus van rubidiumatomen gaan zich splitsen in een magnetisch veld, ook wel bekend als het Zeeman-effect, waardoor er een complex oerwoud aan nieuwe energieniveaus ontstaat. Als het veld weer wordt uitgeschakeld, veranderen de rubidiumatomen weer in hun eenvoudige vorm. Een manier om fotonen op te slaan is ze in een wolkje rubidiumatomen te leiden en het magnetische veld aan te schakelen. Als de fotonen een golflengte hebben die overeenkomt met één van de nieuwe energieniveaus in de rubidiumatomen, dan worden ze geabsorbeerd.  Althans: zolang het veld aan blijft staan. Zodra het magneetveld uit wordt geschakeld, komen de fotonen – met de kwantuminformatie die ze dragen – weer vrij. Kortom: hiermee is sprake van een fotonisch geheugen.

De proefopstelling. Klik voor een vergroting. Bron: artikel
De proefopstelling. Klik voor een vergroting. Bron: artikel

Inderdaad blijkt deze techniek in de praktijk te werken. De resultaten zijn indrukwekkend te noemen. Niet alleen afzonderlijke fotonen, maar complete afbeeldingen zijn in de gaswolkjes op te slaan. Hiervoor plaatsen de experimentatoren een matrijs met openingen in de vorm van de afbeelding die ze op willen slaan. De opslag duurt tientallen microseconden en afbeeldingen kunnen met een nauwkeurigheid tot 87-88 procent worden opgeslagen. Veel langer dan dat lukt niet, omdat de atomen in het hete rubidiumgas van hun plaats bewegen.

Quentin Glorieux en zijn collega’s van het National Institute of Standards and Technology in het Amerikaanse Maryland hebben nu de volgende stap gezet. Ze hebben precies deze techniek gebruikt om twee afbeeldingen tegelijkertijd op te slaan. De afbeeldingen zijn de letters T en N. De plaatjes die hierboven worden getoond, afkomstig van een hogesnelheidscamera die foto’s met 100 nanoseconde tussenpoos neemt,  laten zien hoe de afbeeldingen een voor een vrij worden gegeven door het gas.  Het is dus mogelijk om in dezelfde atomen meerdere plaatjes op te slaan en een kort filmpje in een atomisch geheugen op te slaan.

Deze afbeeldingen zijn eerder in omgekeerde volgorde opgenomen.Last in, first out: de film loopt dus terug in de tijd. Tot nu toe is dit alleen gelukt bij vastestof-media, zoals holografische geheugens. Het lijkt er nu echter op dat wolkjes rubidiumgas  over indrukwekkende soortgelijke eigenschappen beschikken.

Bron
Quentin Glorieux et al., Temporally Multiplexed Storage of Images in a Gradient Echo Memory, ArXiv (2012)

Een neuron. Bron: Scripps Research Institute.

‘Geheugenverlies bij ouderen kan teruggedraaid worden’

5 reacties / Mensheid, Wetenschap / Door / 5 april 2012

Goed nieuws voor oudere vergeetachtige lieden. Althans: voorlopig alleen nog voor oudere fruitvliegen. Wetenschappers van het Scripps Research Institute hebben een manier uitgedokterd om leeftijd-gerelateerde geheugenstoornissen in fruitvliegen om te keren door neuronen te stimuleren. Hierdoor konden ze herinneringen voor de middellange termijn: een half uur tot verschillende uren versterken. Bij mensen zou dit om een langere periode gaan.

Een neuron. Bron: Scripps Research Institute.
Een neuron. Bron: Scripps Research Institute.

De onderzoekers gebruiken zogeheten optogenetische imaging, een techniek waarbij met behulp van genetische manipulatie wordt gekeken welk neuron wordt geprikkeld bij welke herinnering. In deze transgene vliegen wordt de stof G-CaMP gebruikt als calciumdetector. Deze stof wordt fluorescerend als deze in aanraking komt met calcium. Zodra er in een neuron calcium binnenstroomt, een teken dat het neuron actief wordt, licht het neuron dat wordt geprikkeld (en dus de herinnering vastlegt) op in laserlicht. Na afloop van een half uur tot verschillende uren werd de vlieg weer blootgesteld aan dezelfde prikkel, een bepaalde geur, en inderdaad bleek het desbetreffende neuron weer op te lichten.

Herinneringen weer tot leven wekken
De volgende stap ging verder. De onderzoekers plaatsten door koude of door warmte geactiveerde ionenkanalen in de vliegenneuronen, waarvan bekend is dat ze slechter gaan werken bij gevorderde leeftijd en gebruiken koude, of warmte, om ze te activeren. In beide gevallen bleek het middellange-termijn geheugen met succes te zijn hersteld. De studie toont aan dat zodra de desbetreffende neuronen geïdentificeerd zijn in mensen, we medicijnen kunnen ontwikkelen om deze neuronen gericht te treffen. Zo kunnen we de door veroudering aangetaste herinneringen redden, aldus Ron Davis, voorzitter van de vakgroep Neurowetenschappen.

Hoewel mensen en fruitvliegen maar weinig verwant zijn, lijkt juist de biochemie die geheugenprocessen mogelijk maakt door het dierenrijk opmerkelijk uniform. Dit zou betekenen dat alles wat we leren over geheugenvorming in vliegen, ook toepasbaar is voor het menselijke geheugen en geheugenstoornissen bij mensen, aldus Davis.

Maar willen we alles blijven onthouden? Af en toe is het ook prettig dingen niet meer te weten. Onplezierige ervaringen bijvoorbeeld.

Bron: 
Ayako Tonoki en Ronald L. Davis, Aging impairs intermediate-term behavioral memory by disrupting the dorsal paired medial neuron memory trace, PNAS, 2012; DOI:10.1073/pnas.1118126109

Nanogeheugen bespaart tot 99% stroom. Stroomstootjes veranderen het materiaal tussen de twee nanobuisjes.

Computergeheugen bespaart 99% energie

4 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 12 maart 2011

Met een opmerkelijke doorbraak wordt computergeheugen nu honderd keer zo zuinig. Hiermee worden laptops zo energiezuinig dat ze in principe nooit meer opgeladen hoeven te worden. Nu nog wat slimmers bedenken voor de energieslurpende processoren en het beeldscherm vervangen door elektronisch papier.

Iedere gefrustreerde bezitter van een laptop weet het uit bittere ondervinding. Na twee tot misschien tien uur is het einde oefening voor de uitgeputte batterij van het apparaat. Deze moet snel aan het stroominfuus, wil je  ongestoord verder wilt werken aan je verslag, topwebsite of magistrale roman.
Helaas zijn oplaadpunten schaars en onhandig. De voor de hand liggende oplossing van dit probleem is dus het stroomverbruik van de laptop of mobieltje verminderen. Traditioneel vereisen de processors en het beeldscherm veel stroom, maar nu deze steeds energiezuiniger worden en de computers steeds sneller,  slokt het geheugen een steeds groter aandeel van het stroomverbruik op. En loopt veel kans op doorbranden.

Zuiniger, kleiner en stabieler
Met een opmerkelijke doorbraak zijn een viertal onderzoekers, Feng Xiong, Albert Liao, David Estrada en Eric Pop er nu in geslaagd het stroomverbruik van het geheugen tot één procent van het standaard verbruik terug te brengen.

Nanogeheugen bespaart tot 99% stroom. Stroomstootjes veranderen het materiaal tussen de twee nanobuisjes.
Nanogeheugen bespaart tot 99% stroom. Stroomstootjes veranderen het materiaal tussen de twee nanobuisjes.

Het geheim: de geheugenopslageenheden kleiner maken. De onderzoekers deden dit door gebruik te maken van koolstofnanobuisjes, waartussen kleine blokjes phase-change materials (PCM) hangen. PCM’s zijn een soort warmtebatterijen die smelten als ze warmte opnemen en vast worden als ze die weer afstaan – nadat ze een signaal hebben gekregen. U kent ze wellicht als die handige zakjes die je door een metalen ring te knikken kan laten stollen en zo warm laat worden. Je kan ze weer laten smelten, ‘opladen’, door ze in een pan met heet water te leggen.
De weerstand van de PCM die de onderzoekers kozen, verandert door hoge spanningspieken. Deze zeer kleine elementjes verbruiken maar een procent van de hoeveelheid stroom van een standaard geheugenelement omdat ze veel kleiner zijn. Dat is nog niet eens alle goede nieuws. Ze zijn ook nog eens veel stabieler dan  standaard geheugenelementen omdat ze hun informatie niet opslaan als elektrische of magnetische lading, maar door de atomen onderling van positie te veranderen. Ook ideaal voor gebruik in fabrieksomgevingen en de ruimte dus, waar kosmische straling en sterke magneetvelden schering en inslag zijn.

Laptop hoeft nooit meer opgeladen te worden
Als ook het verbruik van de processor en het beeldscherm flink omlaag kan, komt de tijd dichterbij dat laptops helemaal niet meer opgeladen hoeven te worden. In de buurt van het apparaat is er dan voldoende energie beschikbaar. Denk aan licht, temperatuursverschillen en dergelijke. Als het verbruik van een laptop onder een watt komt te liggen – minder dan een fietslampje gebruikt – kan dat ook. Je zou zelfs de energie van het typen of het heen en weer schudden van de laptop tijdens het dragen, kunnen gebruiken om de laptop mee op te laden.  Ongeveer zoals kinematische horloges zichzelf voeden door het voortdurende lopen en schudden van de trotse bezitter. Volgens het enthousiaste viertal hebben ze nog lang niet de bodem van de mogelijkheden bereikt. Ze denken dat het verbruik nog eens met factor tien omlaag kan. Dit systeem is uiteraard ook uiterst interessant voor de enorme computer – en datacentra. Naar schatting zijn computersystemen nu al verantwoordelijk voor enkele procenten van het totale energiegebruik in landen met intensief computergebruik zoals Nederland en de VS en dit percentage stijgt gestaag.

Bronnen:
Science Daily
Science Magazine