Pro Bit ein Atom

  • 08. March 2017

Mit einzelnen Holmium-Atome erreichen Physiker das fundamentale Limit der magnetischen Datenspeicherung.

In den besten verfügbaren Festplatten werden heute noch Areale mit hundert­tausenden Atomen für die Speicherung eines einzelnen Bits magnetisiert. Nur ein einziges Atom braucht dagegen ein magnetischer Daten­speicher, den nun eine internationale Forscher­gruppe entwickelt hat. Die Wissenschaftler konnten mit kleinen Strompulsen den magnetischen Zustand einzelner Holmium­atome zwischen zwei Werten hin und her schalten. So ließen sich die digitalen Basiswerte 0 und 1 für einige Stunden speichern – eine für derartige Grundlagen­versuche relativ lange Zeitspanne.

Abb.: Zwei Holmiumatome (Mitte) speichern die digitalen Basiswerte 0 und 1. Die äußeren Eisenatome dienen zum Auslesen des schaltbaren magnetischen Moments der Holmiumatome. (Bild: Natterer et al., EPFL)

Abb.: Zwei Holmiumatome (Mitte) speichern die digitalen Basiswerte 0 und 1. Die äußeren Eisenatome dienen zum Auslesen des schaltbaren magnetischen Moments der Holmiumatome. (Bild: Natterer et al., EPFL)

Fabian Natterer von der Technischen Hochschule in Lausanne entwickelte einen allerersten Zwei-Bit-Prototyp gemeinsam mit Kollegen vom IBM Almaden Research Center im kalifornischen San Jose. Die Forscher ordneten zwei Holmiumatome auf einer hauchdünnen Doppel­schicht aus isolierendem Magnesium­oxid an, die sie zuvor auf einer Träger­fläche aus Silber deponiert hatten. Rein rechnerisch könnten nach Aussage von Natterer mit dicht aneinander gereihten Holmium­atomen gut 100.000 Gigabyte auf der Fläche einer Briefmarke gespeichert werden. Das nun realisierte Zwei-Bit-System demonstrierte die Machbarkeit eines atomar kleinen Magnet­speichers.

Die beiden an Magnesiumoxid angedockten Holmium­atome konnten die Forscher zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen schalten. Möglich war dies dank der hervor­ragenden magnetischen Eigenschaften der Atome, in denen der magnetische Spin in zwei verschiedenen, relativ lang­lebigen Ausrichtungen stabilisiert werden konnte. Diese Eigenschaft legte die Basis für die Speicherung der digitalen Basiswerte 0 und 1. Zum Schalten der magnetischen Zustände nutzten Natterer und Kollegen die atomar feine Spitze eines Raster­tunnel­mikroskops, durch die sie kurze Strompulse bei etwa 150 Millivolt Spannung schickten.

Das Auslesen des magnetischen Moments der Holmiumatome gelang über ein Eisen­atom, dass in der Nähe der Holmium­atome als Magnetsensor diente. Ein Eisenatom taugte als lokales Magnetometer, da die Ausspaltung der Spektral­linien des Grund­zustands über den Zeeman-Effekt dem dipolaren, magnetischen Feld eines benachbarten Holmium­atoms entsprach. Diese Aufspaltung verschob sich zu geringeren Frequenzen, wenn das magnetische Moment des Holmium­atoms in die gleiche Richtung wies wie ein externes Magnetfeld. Bei entgegen­gesetzter Ausrichtung war in den Elektronen­spin­resonanz-Spektren (ESR) eine Verschiebung zu höheren Frequenzen zu beobachten. Auch ohne Eisen als Sensoratom ließen sich die beiden magnetischen Zustände lokal über den magneto­resistiven Effekt bestimmen.

Da die Wissenschaftler ihre Versuche im Vakuum und bei tiefen Temperaturen von bis zu minus 272 Grad durchführten, kann vorerst nicht mit der Entwicklung einer magnetischen Holmium-Festplatte gerechnet werden. Auch wenn für Grundlagen­forscher die Speicher­dauer von einigen Stunden einen Erfolg darstellte, 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.

Mit diesem Experiment hat auch Natterer selbst nicht unbedingt eine neuartige Fest­platte im Sinn. „Doch Magnete aus einzelnen Atomen können die Bausteine für völlig neue Experimente bilden“, sagt er. So könnte man bisher unbekannte kollektive Effekte mit einer Art magnetischem Atomlego erforschen. Interessant wären Versuche, in denen diese kleinst­möglichen Magnete die Eigenschaften von Materie auf der atomaren Skala beeinflussen.

Unabhängig von diesem Ansatz tasten sich auch andere Forschergruppen an die Grenze der maximal möglichen Speicher­dichte 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. Für ihren Prototyp, der trotz extremer Datendichte nur eine Kapazität von einem Kilobyte hatte, nutzten Sander 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.

Einen völlig anderen Weg für Datenspeicher mit hoher Speicher­dichte beschritten kürzlich Yaniv Erlich und seine Kollegen von der Columbia University in New York. Sie nutzten Erbgut­moleküle, in denen die digitalen Basiswerte über die vier Nuklein­basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) kodiert werden können. Ihnen gelang es, ein etwa zwei Megabyte großes, in DNA-Moleküle gespeichertes Daten­paket fehlerfrei auszulesen. Auf dieser Grundlage extrapolierten die Forscher, dass nur ein Gramm DNA-Moleküle ausreichen könnte, um die enorme Daten­menge von 215.000 Terabyte dauerhaft zu speichern.

Jan Oliver Löfken

DE

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