Exotisches Spin-Eis für neuartige Datenspeicher

Magnetische Eigenschaften hauchdünner Nanoinseln mit eisähnlicher Struktur lassen sich bei Raumtemperatur kontrollieren – Anwendung für Quantencomputer denkbar
Spin-Eis: Areal von winzigen Nanomagneten, die in einer zweidimensionalen Schicht angeordnet sind (Grafik)
Spin-Eis: Areal von winzigen Nanomagneten, die in einer zweidimensionalen Schicht angeordnet sind (Grafik)
© Yong-Lei Wang, Zhili Xiao
Argonne (USA) - Intensiv suchen Wissenschaftler nach neuen Materialien, um die bereits sehr leistungsfähigen digitalen Datenspeicher noch weiter zu verbessern. Als vielversprechendes Material gilt sogenanntes Spin-Eis. In diesem exotischen Material ordnen sich winzige Nanomagnete wie die Sauerstoffatome der Wassermoleküle in Eiskristallen zu einem Gitter an. In der Fachzeitschrift „Science“ präsentiert eine amerikanische Forschergruppe nun ein Spin-Eis, dessen magnetische Eigenschaften sich sogar bei Raumtemperatur kontrollieren ließen. Über den Einsatz für Datenspeicher hinaus könnte dieses Material auch als Hardware für zukünftige Quantencomputer dienen.

„Magnetisches Spin-Eis könnte zu kleineren und leistungsfähigeren Rechnern führen oder sogar eine Rolle in Quantencomputern spielen“, sagt Zhili Xiao vom Argonne National Laboratory. Für ihre Experimente deponierte er zusammen mit seinen Kollegen von der University of Illinois in Chicago winzige Nanoinseln aus einer Eisennickel-Legierung auf einer Siliziumfläche. Diese magnetischen Nanoinseln waren nur 25 Millionstel Millimeter dick. Ein ganzes Areal solcher Nanoinseln wird auch als zweidimensionales Material bezeichnet.

Mit der Spitze eines Magnetkraftmikroskops veränderten die Forscher die magnetische Ausrichtung der einzelnen Nanoinseln. Die magnetischen Ladungen im Spin-Eis ließen sich dabei so kontrollieren, dass acht verschiedene Konfigurationen möglich waren. In klassischen magnetischen Datenspeichern sind dagegen nur jeweils zwei unterschiedliche Zustände möglich, entsprechend den digitalen Grundwerten 0 und 1. Diese Vielfalt könnte zu einer höheren Dichte der gespeicherten Daten und zu einer komplexeren, aber effizienteren Rechenlogik führen.

Die Ausrichtung der magnetischen Nanoinseln mit dem Magnetkraftmikroskop gelang viele Male hintereinander. Damit ist das Material prinzipiell geeignet, um Daten wiederholt schreiben, auslesen und wieder löschen zu können. Um die genaue Kontrolle dieser Schaltprozesse zu demonstrieren, manipulierten Xiao und Kollegen die magnetische Ausrichtung der Nanoinseln so, dass unter einem Mikroskop der Schriftzug „ICE“ sichtbar wurde. Bis zu einem magnetischen Datenspeicher mit einem zweidimensionales Spin-Eis ist der Weg aber noch sehr weit. Zum Schreiben, Lesen und Löschen der Daten müsste eine Methode entwickelt werden, die die Aufgabe des Magnetkraftmikroskops übernehmen könnte.

Doch die Möglichkeiten der Spin-Eis-Schichten könnten noch weiter reichen. Frühere Experimente zeigten bereits, dass sich in hauchdünnem Spin-Eis unter bestimmten Voraussetzungen auch magnetische Monopole isolieren lassen, also einzelne magnetische Ladungen. Sollte eine Kontrolle solcher Monopole in Zukunft gelingen, wäre Spin-Eis auch ein geeigneter Kandidat für den Bau von Quantencomputern.

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