In deze rubriek kijken we naar de vaak zeer interessante fysica die schuilgaat achter dagdagelijkse voorwerpen en fenomenen. Ditmaal richten we ons op de fysica achter SD kaartjes, flash geheugen.
Iedereen maakt wel gebruik van flash geheugen. Het is de technologie die ervoor zorgt dat informatie opgeslagen kan worden in computers, in SD kaartjes, in camera’s, in mobiele telefoons, in MP3 spelers, etc. Kortom, zonder flash geheugen zou ons leven een stuk moeilijker zijn. Maar hoe werkt zo een flash drive eigenlijk?
De meest simpele vorm van informatie, hetgeen ook door computers gebruikt wordt, is binair; 1 of 0. Een bit is één stukje informatie en kan de waarde 0 of 1 hebben. Een flash geheugen gebruikt memory cells voor het opslaan van zulke bits. Een memory cell kan in de meeste flash drives 2 bits opslaan en dus 4 toestanden innemen: 0-0, 0-1, 1-0 en 1-1. In een memory cell zit een zogenaamde floating gate. Een floating gate kun je je voorstellen als een emmertje. Om de vier mogelijke toestanden van 2 bits op te slaan kun je daar 0, 1, 2 of 3 tennisballen instoppen. Een flash drive kun je je voorstellen als gigantisch veld dat vol staat met emmers. In totaal zitten er in een SD kaartje van 64 gigabyte zo ongeveer 256 miljard geheugen celletjes. Als we zoveel informatie willen opslaan met emmers en tennisballen, moeten we meer dan 39 keer het volledige Aardoppervlak bedekken met emmers van 10 liter. In een SD kaartje zitten dus heel erg veel geheugen cellen en om er zoveel in een kleine ruimte te proppen moeten deze cellen dus zeer klein gemaakt worden. Zodanig klein dat we kwantummechanica nodig hebben om te begrijpen wat er juist in zo’n cel gebeurt. Om data op te slaan worden er dan ook geen tennisballen gebruikt maar elektronen.
Kwantummechanica is de fysica van het microscopische. De wetten en principes die door kwantummechanica beschreven worden zijn ook aanwezig op onze macroscopische (grote) schaal maar worden enkel zichtbaar en relevant op zeer kleine schaal, die van moleculen, atomen en kleinere deeltjes. Voor flash drives is een belangrijk kwantummechanisch principe dat van kwantum tunneling. Uit het dagelijkse leven zijn we gewoon dat een object zoals een tennisbal één positie heeft. Voor deeltjes, zoals elektronen, is dit echter niet het geval. De kwantummechanica zegt dat deeltjes geen vaste positie hebben maar dat ze wat “uitgesmeerd” zijn over de ruimte*.
Stel dat je een tennisbal tegen een muur gooit. In de klassieke mechanica komt dit object dan een ondoordringbare barrière tegen waartegen het simpelweg afkaatst. Maar als je een elektron op een barrière schiet, is dit niet perse het geval. Op het moment dat het elektron de barrière bereikt, is de kans heel groot dat het terugkaatst. Maar omdat er een onzekerheid zit op de positie van het elektron, is er ook een kleine kans dat het elektron zich aan de andere kant van de barrière bevindt. Als je dus 100 keer een elektron erop afstuurt, kan het zomaar zijn dat er twee elektronen doorheen de barrière “teleporteren”. Dit wordt ook wel kwantum tunneling genoemd. Hoe dikker de barrière, hoe kleiner de kans dat tunneling plaatsvindt en dus hoe minder elektronen erdoor kunnen geraken.
Nu terug naar het flash geheugen. Op onderstaande afbeelding is links één memory cell afgebeeld. Een memory cell bestaat uit een aantal onderdelen. Om te beginnen is er de bron en de afvoer die elektronen aanleveren en wegvoeren. Bij de bron zitten veel elektronen die niets liever willen dan naar rechts te gaan. Of ze dit ook doen, wordt bepaald door de control gate. Door op de control gate een spanning te zetten, kan bepaald worden of de elektronen door kunnen of niet. De floating gate is de plaats waar de informatie opgeslagen wordt door er meer of minder elektronen in te stoppen, dit is het emmertje waar we het eerder over hadden. Tussen de floating gate en het pad van de elektronen zit een zeer dunne barrière van slechts 75 tot 100 atomen dik. Tussen de control gate en de floating gate zit ten slotte nog een minder belangrijke isolator die ervoor zorgt dat hier geen elektronen door kunnen stromen.
Het principe van zo’n memory cell kunnen we makkelijker begrijpen aan de hand van een vergelijking zoals weergegeven op het rechter plaatje. Stel dat er twee bits (1-1) opgeslagen moet worden**, dan moeten er 3 balletjes in de emmer (floating gate) gegooid worden. Tussen de afvoer en de bron staat de emmer met een deksel erop (tunneling barrière). Het mannetje (control gate) neemt dan tennisballen (elektronen) uit de bron en gooit dit op de emmer. Het overgrote deel van de ballen zullen afkaatsen en in de afvoer terecht komen. Maar een paar ballen zullen kwantum tunnelen (stippellijn) doorheen het deksel van de emmer. Het mannetje blijft zo doorgooien tot er exact 3 balletjes in de emmer zitten.
Je vraagt je misschien af waarom je zo moeilijk zou doen door een barriére op de floating gate (emmer) te zetten. Dit wordt gedaan omdat de elektronen die hierin terecht komen jarenlang opgeslagen moeten blijven. Door deze floating gate te omringen met isolatoren wordt de kans zeer klein dat de elektronen kunnen ontsnappen en wordt de informatie dus permanent opgeslagen.
Door miljarden memory cells te combineren kan er op die manier zeer compact en betrouwbaar informatie (tekst, afbeeldingen, filmpjes,…) opgeslagen worden. Dus als je in het vervolg een foto maakt en opslaat op je telefoon of gebruik maakt van een SD kaartje, denk er dan nog eens aan dat dit enkel mogelijk is doordat er in al die miljarden celletjes elektronen geteleporteerd worden doorheen een normaal gesproken ondoordringbare barrière.
*dit is simplistisch uitgelegd, voor compleet beeld: zoek naar “golffunctie kwantum mechanica”
**in praktijk wordt 0 opgeslagen als een aanwezigheid en 1 als een afwezigheid van elektronen
0 reacties