Speichertechnik: Datenspeicher braucht nur ein Atom pro Bit
Das silberweiß glänzende und relativ weiche Metall Holmium(öffnet im neuen Fenster) bildet die Basis für den bislang wohl kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt. Pro Datenbit benötigte eine internationale Forschergruppe nur ein einziges Holmiumatom. Dessen magnetischer Zustand ließ sich mit kleinen Strompulsen zwischen zwei Werten hin und her schalten. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature berichten(öffnet im neuen Fenster) , konnten sich die Holmiumatome die digitalen Werte für einige Stunden merken - 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 aneinandergereihten Holmiumatomen gut 100.000 GByte auf der Fläche einer Briefmarke gespeichert werden. Der Prototyp des Magnetspeichers, den Natterer gemeinsam mit Kollegen vom IBM Almaden Research Center im kalifornischen San Jose entwickelt hat, bestand bisher aus nur zwei Holmiumatomen. Diese ordneten die Forscher auf einer mit isolierendem Magnesiumoxid bedeckten Trägerfläche aus Silber an. Doch das Zwei-Bit-System reichte aus, um die Machbarkeit eines atomar kleinen Magnetspeichers zu demonstrieren.
Ein Rastertunnelmikroskop wird zum Schalter
Die beiden an Magnesiumoxid angedockten Holmiumatome konnten zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet werden. Diese sind die Basis für die Speicherung der digitalen Basiswerte 0 und 1. Zum Schalten nutzten Natterer und seine Kollegen die atomar feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, durch die sie kurze Strompulse bei etwa 150 mV Spannung schickten. Das Auslesen des magnetischen Moments der Holmiumatome gelang über ein Eisenatom, das 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 Gigabyte Kapazität noch sehr weit. Denn die Wissenschaftler führten ihre Versuche im Vakuum und bei tiefen Temperaturen von bis zu minus 272 Grad durch. Für Grundlagenforscher war auch die Speicherdauer von einigen Stunden ein Erfolg, für konkrete Anwendungen ist das 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 die Wissenschaftler die Machbarkeit eines Ein-Atom-Datenspeichers beweisen konnten.
Natterer will keine neue Festplatte entwickeln
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.
Ein Speicher aus Chloratomen
So bauten vor einem Jahr niederländische Physiker an der Technischen Universität Delft einen Datenspeicher, der für jedes digitale Bit nur ein einziges Chloratom benötigte. Ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ließ es 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 seine 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 seine Kollegen die ersten Sätze einer berühmten Vorlesung des Physikers und Vordenkers der Nanotechnologie Richard Feynman auf ein winziges nur 96 x 126 Nanometer kleines Areal ihres Chlor-Kupfer-Speichers.