Nur 12 Atome für ein Bit

  • 12. January 2012

Forscher von IBM und dem Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben den kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt konstruiert.

Für ihren Nanospeicher hat die Gruppe um den IBM-Forscher Andreas Heinrich und den CFEL-Wissenschaftler Sebastian Loth am Almaden-Forschungszentrum in San Jose, Kalifornien, mit einem Rastertunnelmikroskop ein regelmäßiges Muster aus Eisenatomen aufgebaut. Jeweils zwei Ketten aus sechs Atomen speichern dabei ein Bit. Ein Byte quetschten sie auf diese Weise in 96 Atome, diese beanspruchen gerade einmal 4 mal 16 Nanometer. Das entspricht einer hundertmal höheren Speicherdichte als auf einer modernen Festplatte, die mindestens eine halbe Milliarde Atome für ein Byte nutzt.

Die Rastertunnelmikroskopaufnahme zeigt die anitferromagnetische Ordnung einer Doppelkette aus zwölf Eisenatomen.

Abb.: Die Rastertunnelmikroskopaufnahme zeigt die anitferromagnetische Ordnung einer Doppelkette aus zwölf Eisenatomen. Sie ist in den Experimenten die kleinste Speichereinheit für ein Bit. (Bild: S. Loth, CFEL)

Beschrieben und ausgelesen wird der Nanospeicher ebenfalls mit dem Rastertunnelmikroskop. Die Blöcke aus zwölf Eisenatomen lassen sich durch elektrischen Strom zwischen zwei Magnetisierungszuständen umschalten, den Werten 0 und 1. Allerdings sind die Nanomagnete bislang nur bei Temperaturen um 5 Kelvin stabil. Die Forscher gehen davon aus, dass eine Ansammlung von höchstens 200 Atomen auch bei Raumtemperatur einen stabilen magnetischen Zustand bilden kann. Bis atomare Magnete in der Speichertechnologie Verwendung finden, vergeht daher sicherlich noch einige Zeit.

Die Forscher haben erstmals Antiferromagnetismus zum Speichern von Informationen zu verwendet. Anders als beim Ferromagnetismus, den herkömmliche Festplatten benutzen, liegen dabei die Spins benachbarter Atome entgegengesetzt. Dadurch erscheint das Material nach außen magnetisch neutral, und so lassen sich die einzelnen Speicherelemente viel dichter platzieren: Die einzelnen Bits haben nur noch einen Abstand von einem Nanometer.

Statt vorhandene Bauelemente immer weiter zu verkleinern, wählte die Gruppe den umgekehrten Ansatz: „Beginnend mit dem Kleinsten, dem Atom, haben wir Datenspeicher Atom für Atom aufgebaut“, berichtet Heinrich. „Wir haben geprüft, wie groß wir mindestens bauen müssen, um das Gebiet der klassischen Physik zu erreichen“, ergänzt Loth. Zwölf Atome stellten sich bei den verwendeten Elementen als Untergrenze heraus, darunter verwischen Quanteneffekte die gespeicherte Information. Ob und wie sich unter der gezielten Nutzung dieser Quanteneffekte eine noch höhere Informationsdichte erreichen lässt, beschäftigt gegenwärtig einen ganzen Forschungszweig.

Mit ihren Experimenten haben die Wissenschaftler daher auch ein ideales Testsystem für den Übergang von der klassischen zur Quantenphysik geschaffen: „Wir haben gelernt, die Quanteneffekte durch Form und Größe der Eisenreihen gezielt zu beeinflussen“, erklärt Loth. „In Zukunft können wir diese Fähigkeit nutzen, um gezielt zu untersuchen, wie die Quantenmechanik einsetzt. Was unterscheidet einen Quantenmagneten von einem klassischen Magneten? Und wie verhält sich ein Magnet genau an der Grenze zwischen beiden Welten? Das sind spannende Fragen, die jetzt beantwortbar werden.“

Desy / OD

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