Rekord: Datenspeicher braucht nur ein Atom pro Bit

Magnetische Zustände einzelner Holmium-Atome taugen zur Speicherung der digitalen Basiswerte 0 und 1
Zwei Holmiumatome (Mitte) speichern die digitalen Basiswerte 0 und 1. Die äußeren Eisenatome dienen zum Auslesen des schaltbaren magnetischen Moments der Holmiumatome.
Zwei Holmiumatome (Mitte) speichern die digitalen Basiswerte 0 und 1. Die äußeren Eisenatome dienen zum Auslesen des schaltbaren magnetischen Moments der Holmiumatome.
© Natterer et al., EPFL
San Jose (USA)/Lausanne (Schweiz) - Das silberweiß glänzende und relativ weiche Metall Holmium legt die Grundlage für den bislang wohl kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt. Pro Datenbit benötigte eine internationale Forschergruppe nur ein einziges Holmiumatom. So reicht theoretisch ein Gramm des Metalls aus der Gruppe der Seltenen Erden aus, um knapp 500 Millionen Terabytes Daten zu speichern. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, ließ sich der magnetische Zustand der Holmiumatome mit kleinen Strompulsen zwischen zwei Werten hin und her schalten. Damit konnten die digitalen Basiswerte 0 und 1 für einige Stunden gespeichert werden – eine für derartige Grundlagenversuche relativ lange Zeitspanne.

„Wir schufen einen Datenspeicher am fundamentalen Limit aus einem einzigen Atom“, sagt Physiker Fabian Natterer, der derzeit an der Technischen Hochschule in Lausanne forscht. Herkömmliche Festplatten benötigen dagegen Hunderttausende bis Millionen Atome pro Datenbit. So könnten rein rechnerisch mit dicht aneinander gereihten Holmiumatomen gut 100.000 Gigabyte auf der Fläche einer Briefmarke festgehalten werden. Der Prototyp des Magnetspeichers, den Natterer gemeinsam mit Kollegen vom IBM Almaden Research Center im kalifornischen San Jose entwickelt hat, bestand bisher aber nur aus zwei Holmiumatomen. Doch das Zwei-Bit-System reichte aus, um die Machbarkeit eines atomar kleinen Magnetspeichers zu demonstrieren.

Die beiden Holmiumatome ordneten die Forscher auf einer mit isolierendem Magnesiumoxid bedeckten Trägerfläche aus Silber an. Zum Schalten zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen nutzten Natterer und Kollegen die atomar feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, durch sie kurze Strompulse bei etwa 150 Millivolt Spannung schickten. Diese so kontrollierbaren, unterschiedlichen Ausrichtungen des magnetischen Spins legten die Basis für die Speicherung der digitalen Basiswerte 0 und 1. Das Auslesen des magnetischen Moments der Holmiumatome gelang über ein Eisenatom, dass in der Nähe der Holmiumatome als Magnetsensor diente. Auch ohne dieses Sensoratom konnten die beiden magnetischen Zustände über Änderungen des elektrischen Widerstands in einem äußeren Magnetfeld bestimmt werden.

Trotz dieses geglückten Experiments ist der Weg zu einer Holmium-Festplatte mit Millionen Gigabytes Kapazität noch sehr weit. Denn die Wissenschaftler führten ihre Versuche im Vakuum und bei tiefen Temperaturen von bis zu minus 272 Grad durch. War auch die Speicherdauer von einigen Stunden für Grundlagenforscher ein Erfolg, ist diese Zeitspanne für konkrete Anwendungen ohne Zweifel viel zu kurz. „Die genutzten Techniken zum Schreiben und Lesen der Daten sind nicht gerade nutzerfreundlich oder gar erschwinglich“, schreibt Roberta Sessoli von der Universität Florenz in einem begleitenden Kommentar. Dennoch zeigte sich die nicht an dieser Studie beteiligte Expertin für magnetische Systeme begeistert, dass Natterer und Kollegen die Machbarkeit einen Ein-Atom-Datenspeichers beweisen konnten.

Auch Natterer will mit seinen Experimenten nicht unbedingt eine neuartige Festplatte entwickeln. „Magnete aus einzelnen Atomen können die Bausteine für völlig neue Experimente bilden“, sagt er. So können bisher unbekannte kollektive Effekte mit einer Art magnetischem Atomlego erforscht werden. Interessant wären Versuche, in denen diese kleinstmöglichen Magnete die Eigenschaften von Materie auf der atomaren Skala beeinflussen.

An die Grenze der maximal möglichen Speicherdichte tasten sich auch andere Forschergruppen heran. So bauten vor einem Jahr niederländische Physikern an der Technischen Universität Delft einen Datenspeicher, der für jedes digitale Bit nur ein einziges Chloratom benötigte. Ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ließ er sich binnen weniger Minuten beschreiben und wieder auslesen. „Bei dieser Datendichte würden theoretisch alle jemals geschriebenen Bücher auf eine einzige Briefmarke passen“, beschrieb Forscher Sander Otte das Potenzial von atomaren Datenspeichern.

Für ihren Prototyp, der trotz extremer Datendichte nur eine Kapazität von einem Kilobyte hatte, nutzten Otte und Kollegen eine extrem glatte und saubere Kupferoberfläche. Unter Vakuum verdampften sie darüber etwas Kupferchlorid, so dass sich nach bereits drei Minuten tausende Chloratome auf der Oberfläche ablagerten. Nach diesem Aufdampfprozess wechselten sich zahlreiche Chloratome mit tausenden noch leeren Plätzen, den Vakanzen, ab. Exakt diese Kombination aus Chloratomen und Lücken bildete die Grundlage für den extrem dichten Datenspeicher. Denn nun brauchten nur einzelne Chloratome in eine benachbarte Lücke geschubst zu werden, um zwischen den digitalen Basiswerten 0 und 1 hin und her zu schalten. Mit winzigen elektrischen Strömen in der Mikroskopspitze ließen sich die Chloratome mit einer Zuverlässigkeit von 99 Prozent auf den gewünschten Platz bugsieren.

„Diesen Vorgang kann man mit einem Schiebepuzzle vergleichen“, sagt Otte. Allerdings war dieser Schreibprozess im Vergleich zu konventionellen magnetischen Festplatten noch sehr langsam. Um acht Byte zu schreiben, benötigten die Forscher etwa zwei Minuten. Das Auslesen gelang doppelt so schnell. Um die extrem hohe Datendichte zu demonstrieren, schrieben Otte und Kollegen die ersten Sätze einer berühmten Vorlesung des Physikers und Vordenkers der Nanotechnologie Richard Feynman, auf ein winziges nur 96 auf 126 Nanometer kleines Areal ihres Chlor-Kupfer-Speichers.

© Wissenschaft aktuell


 

Home | Über uns | Kontakt | AGB | Impressum
© Wissenschaft aktuell & Scientec Internet Applications + Media GmbH, Hamburg