Magnetisches Bit aus drei Atomen

  • 21. September 2017

Daten speichern mit nur drei Eisenatomen auf einer Platin­oberfläche.

Ein Team von Physikern der Univer­sität Hamburg in Kooperation mit dem FZ Jülich und der Radboud Universität in Nijmegen hat ein ferro­magnetisches Teilchen konstruiert, das aus nur drei Eisen­atomen auf einer Platin­oberfläche besteht und als Bit für die magne­tische Speicherung von Infor­mationen dienen kann. Durch besondere elek­tronische Wechsel­wirkungen des Bits mit der leit­fähigen Substrat­oberfläche kann die in dem Bit gespeicherte Infor­mation in einer unge­wöhnlichen, nicht-kol­linearen Weise verar­beitet werden, was völlig neue Möglichkeiten für zukünf­tige Speicher­elemente der Informations­technologie eröffnen könnte.

Abb.: Darstellung des konstruierten magnetischen Bits aus nur drei Eisenatomen auf einer Platinoberfläche. Die Pfeile zeigen die eigentümliche Magnetisierungsstruktur innerhalb des Bits an. (Bild: U. Hamburg / SFB 668)

Abb.: Darstellung des konstruierten magnetischen Bits aus nur drei Eisenatomen auf einer Platinoberfläche. Die Pfeile zeigen die eigentümliche Magnetisierungsstruktur innerhalb des Bits an. (Bild: U. Hamburg / SFB 668)

Eine konti­nuier­liche Heraus­forderung in der Speicher­technologie ist die anhal­tende Nachfrage nach immer kleineren Bits. In magne­tischen Daten­trägern wird die digitale Infor­mation durch die Aus­richtung von winzigen Magneten gespeichert. Die Notwen­digkeit, mehr und mehr Infor­mationen in einem immer kleineren Bereich zu speichern, führt daher auf die Frage, wie klein man einen Magneten her­stellen kann, der seine Magne­tisierung für eine längere Zeitdauer beibehält, so dass die gespeicherte Infor­mation nicht verloren geht.

In letzter Zeit konnte man sich durch umfang­reiche Forschungen an die ulti­mative Grenze, der Speicherung von Infor­mationen in einzelne Atome, immer weiter annähern. Eine besondere Heraus­forderung bezüglich der Anwendung derartig kleiner Strukturen ist dabei die Desta­bilisierung ihrer Magne­tisierung durch die Wechsel­wirkung mit den Elektronen der Substrat­oberfläche, auf der sie aufge­bracht sind. Der bislang vorherr­schende Ansatz zur Stabi­lisierung der Magne­tisierung bestand darin, das magnetische Bit von den Substrat-Elektronen durch die Verwendung von iso­lierenden Zwischen­schichten zu entkoppeln. Diese Herangehens­weise bringt jedoch das Problem mit sich, dass die Verarbeitung der in dem Bit ge­speicherten Infor­mation über genau diese Substrat-Elektronen erfolgt. Daher ist ein Bit aus wenigen Atomen auf einer leitfähigen Substrat­oberfläche wünschens­wert.

Die Physiker haben nun experi­mentell so ein magne­tisches Bit aus nur drei Eisen­atomen auf einer leit­fähigen Platin­oberfläche unter Verwendung der magnetischen Spitze eines Raster­tunnel­mikroskops konstruiert. Sie konnten mithilfe des speziell ent­wickelten magnetisch-sensi­tiven Rastertunnel­mikroskops Infor­mationen in ein Speicher­register bestehend aus zwei dieser Bits schreiben und die gespeicherte Infor­mation stunden­lang stabil halten. Durch die Verwendung von leitfähigem Platin als Substrat­oberfläche konnten die Forscher eine faszi­nierende magne­tische Struktur innerhalb des Bits und des Substrats erzeugen.

Die Magne­tisierung der einzelnen Bestand­teile des Bits ist nicht parallel ausge­richtet, wie bei herkömm­lichen magne­tischen Speicher­elementen, sondern in einer viel komplexeren, nicht-kolli­nearen Form. Diese Nicht-Kol­linearität ermöglicht die Über­tragung von gespeicherten Infor­mation an benach­barte Speicher­komponenten unter Verwendung einer großen Vielfalt von Einstel­lungen der Magne­tisierungs­richtungen, was der Infor­mations­verarbei­tung mehr Flexi­bilität verleiht und völlig neue Möglich­keiten der magne­tischen Daten­verarbeitung und -speicherung eröffnet.

U. Hamburg / SFB 668 / JOL

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