Daten speichern in einer billionstel Sekunde
Hocheffiziente magnetische Datenspeicherung mittels kurzer Lichtimpulse.
Ein präzise dosierter und extrem kurzer Schubs aus Licht hat es Regensburger Physikern erlaubt, den Spin eines Elektrons effizienter und schneller denn je umzudrehen. Damit haben sie einen wichtigen Schritt hin zu einer neuartigen, nahezu verlustfreien Informationstechnologie gemacht.
Trotz der rasant wachsenden Nachfrage nach immer schnellerer Elektronik stagnieren die Taktraten moderner Computer seit Jahren. Grund dafür ist vor allem, dass hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten in Rechnern zu massiver Wärmeentwicklung führen. Mittlerweile sind Rechenzentren für nahezu fünf Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Aktuelle Speichertechnologien halten die binären Informationen anhand der Orientierung von Spins fest, welche durch einen magnetischen Schreibkopf gelesen und geschrieben werden können. Die geringe Effizienz dieses Ansatzes begrenzt die maximal erreichbaren Datentransferraten auf derzeit etwa eine Milliarde Bits pro Sekunde. Doch die Gesetze der Physik verbieten es nicht grundsätzlich, Daten viel schneller und nahezu ohne Energieverlust zu speichern.
Diese Hoffnung experimentell zu bestätigen, war das Ziel des Forscherteams um Rupert Huber und Christoph Lange vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg sowie Rostislav Mikhaylovskiy und Alexey Kimel von der Radboud Universität in Nijmegen. Die Kernidee bestand darin, mit ultrakurzen Lichtblitzen Spins plötzlich auszulenken, um sie von einem stabilen Zustand so schnell in einen anderen zu schalten, dass sie keine Wärme erzeugen können. Wählt man hierbei Lichtblitze im niederenergetischen infraroten Spektralbereich, dem Terahertzbereich, so sollte dies besonders energieeffizient funktionieren.
Selbst mit den stärksten Terahertz-Strahlungsquellen stieß man aber bislang immer an Grenzen. „Man konnte die Spins zwar seit ein paar Jahren ein bisschen taumeln lassen, ihnen aber keinen derart heftigen Kick verpassen, dass sie sich komplett umdrehen“, erklärt Stefan Schlauderer. Deshalb haben sich die Regensburger Physiker nun eines Tricks bedient. „Wir haben eine kleine, goldene Antenne gebaut, um die Strahlung zusätzlich zu bündeln. Die Antenne ist etwa siebzig Mikrometer lang und macht die Strahlung lokal so stark, dass sie ausreicht, um die Spins umzuschalten“, sagt Lange. So konnten die Wissenschaftler die Ausrichtung der Elementarmagneten innerhalb weniger Pikosekunden umschalten, wobei dazu lediglich die Energie eines einzelnen Terahertz-Photons pro Spin nötig war.
Damit übertreffen sie die Geschwindigkeit bestehender Technologien nicht nur tausendfach, sondern stellen auch einen neuen Rekord in der Energieeffizienz auf. Mehr noch: „Durch die punktgenau dosierte Energiemenge läuft die Bewegung der Spins praktisch ungestört ab, sodass sich sogar Perspektiven für Quanteninformationsverarbeitung ergeben könnten“, so Lange. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für eine neue Generation der Informationstechnologie, die nicht nur eine maximal effiziente sondern auch ultimativ schnelle Datenspeicherung ermöglicht.
U. Regensburg / JOL
