Het mysterie van nikkelaat
Een stap dichterbij een computerbrein
Door Christien Boomsma
By Christien Boomsma
Christien Boomsma
Christien is sinds 2016 achtergrondcoördinator bij UKrant. Ze plant de achtergrondverhalen en begeleidt de auteurs. Bij haar eigen verhalen ligt de focus op wetenschap en academisch leven. Daarnaast schrijft ze veel over onderwerpen als sociale veiligheid en maakt ze graag persoonlijke interviews. In haar vrije tijd schrijft ze jeugdboeken en geeft schrijftrainingen.Hoewel het menselijk brein relatief klein is, kan het enorme hoeveelheden informatie verwerken. Het gaat ook heel erg efficiënt met energie om. Wetenschappers proberen al jaren een computer te bouwen die net zo goed werkt, maar dat is een enorme uitdaging.
‘De neuronen in onze hersenen hebben duizenden dendrieten, een soort kleine beentjes, die via synapsen vastzitten aan de dendrieten van duizenden andere neuronen. Dat betekent dat informatie via allerlei verschillende kanalen tegelijk kan worden verzonden’, zegt hoogleraar Beatriz Noheda van onderzoekscentrum CogniGron.
‘Maar gewone computers gebruiken transistors die informatie alleen maar in een reeks kunnen verwerken. Een op een, dus.’
Te veel ruimte
Het brein gaat zo efficiënt met energie om doordat het informatie zowel opslaat als verwerkt in de neuronen. Een gewone computer heeft daar twee verschillende locaties voor nodig.
Bovendien zorgt de neuroplasticiteit van het brein ervoor dat neuronen connecties sterker of zwakker kunnen maken. ‘Als je bijvoorbeeld iets aan het leren bent, gaat er meer energie door die neuronen heen. Maar als de verbinding verzwakt, kan je herinneringen kwijtraken.’
Als de verbinding verzwakt, kan je herinneringen kwijtraken
Grote bedrijven zoals IBM en Intel hebben al eerder geprobeerd het brein na te bootsen, met computerchips waarin duizenden transistors naast elkaar een enkele neuron vormen. Dat scheelde veel energie, maar de duizenden neuronen die nodig zijn om een heel ‘brein’ te creëren zouden simpelweg te veel ruimte innemen.
Andere onderzoekers hebben zogeheten memristors gemaakt: elektrische apparaatjes waarmee je de weerstand kunt aanpassen door ionen te laten bewegen, net zoals het brein doet met de synapsen tussen neuronen. ‘Maar dat experiment viel niet te reproduceren’, zegt Noheda.
Handelbaar
Noheda en haar team proberen een memristormechanisme te bouwen waarbij ze geen elektronische componenten nodig hebben. Het is gebaseerd op hoe elektronen getransporteerd worden. ‘Die zijn sneller, maar veel handelbaarder’, zegt ze. Het is verdiepend, fundamenteel onderzoek dat nog maar een paar jaar aan de gang is.
Vorige week publiceerden zij en haar promovendus Qikai Guo hun artikel over hun zoektocht naar een materiaal dat dit kan doen in Nature Communications.
Ze hadden hun hoop gevestigd op neodymium nikkeloxide (NdNiO3), een materiaal dat de overgang van een metaal naar een isolator kan maken. Dat betekent dat het op het ene moment heel goed geleidt, maar op een ander moment juist heel erg isoleert. Dit is essentieel als je een apparaat wilt hebben waarin je de weerstand aan kunt passen.
Normaliter kan je dit soort materialen manipuleren door middel van temperatuur. Maar dit spul was stukken mysterieuzer dan de wetenschappers aanvankelijk dachten. Sommige onderzoekers zeiden dat het een normaal metaal was, en dat het elektriciteit geleidt op dezelfde manier als koper.
De verklaring voor deze conductiviteit zou zijn dat elektronen reageren op vibrerende atomen. ‘Maar andere onderzoekers hadden het idee dat er iets spannenders aan de hand was. Zij dachten dat de elektronen juist op elkaar reageerden’, zegt Noheda. Beide kanten hadden experimenten gedaan die hun standpunt bevestigden.
Discussie
Guo en Noheda gingen aan het werk om de discussie te beslechten. Maar hoe zorgvuldig ze hun tests ook deden, ze kregen telkens een ander resultaat. ‘We kregen letterlijk iedere keer een andere waarde, ook waardes die niemand ooit eerder had gehad.’
Wat als het niet aan de vervorming zelf lag, maar aan iets wat de vervorming verzoorzaakte?
De onderzoekers wisten lang niet waar die resultaten vandaan kwamen. Wat ze wel wisten, was dat hoe goed het materiaal geleidde niet alleen door de temperatuur kwam, maar ook door het materiaal waar ze hun nikkelaat op ‘kweekten’.
‘We hadden ongelooflijk dun materiaal gemaakt. Het was duizend maal dunner dan een menselijke haar. We deden dat op een kristallen substraat dat een iets andere structuur had’, zegt Noheda.
De atomen in dat substraat lagen net iets verder uit elkaar of dichter bij elkaar dan die in nikkelaat. Omdat ze het verdampte nikkelaat op de substraat neer lieten dalen, dwongen ze de nikkelaatatomen zich te rearrangeren. ‘Het kristal werkte als een sjabloon.’
Rearrangeren
Noheda en Guo kwamen erachter dat naarmate ze hun nikkelaat meer forceerden, de conductiviteit steeds hoger werd. Maar de vervorming alleen kon de resultaten niet verklaren; daarvoor was het effect te groot. ‘Wat als het niet door de vervorming kwam, maar juist door iets wat de vervorming veroorzaakte?’
Verdere experimenten toonden aan dat de vervorming van de lagen nikkelaat er voor zorgde dat het nikkelaat zuurstof verliest. Normaliter heeft het metaal een nikkelatoom, een neodymiumatoom en drie zuurstofatomen, waardoor het een kristal vormt.
‘Maar we zagen dat er af en toe een zuurstofatoom ontbrak. Daardoor gingen de andere atomen zich een beetje rearrangeren’, zegt Noheda. En dat verklaarde dus de veranderde conductiviteit.
Dit betekent dat de onderzoekers twee belangrijke dingen hebben gedaan. Niet alleen hebben ze iets toegevoegd aan de fundamentele kennis over nikkelaatmetalen, maar ze zijn ook een belangrijke stap dichterbij hun droom van een computer die werkt als een menselijk brein.
‘We hebben nu controle over het materiaal’, zegt ze. ‘We hebben nu een knop waarvan we eerst niet eens wisten dat die bestond.’