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Ein-Atom-Speicher (Symbolbild): Holmiumatome werden zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet.
Ein-Atom-Speicher (Symbolbild): Holmiumatome werden zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet. (Bild: Natterer/EPFL)

Speichertechnik: Datenspeicher braucht nur ein Atom pro Bit

Ein-Atom-Speicher (Symbolbild): Holmiumatome werden zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet.
Ein-Atom-Speicher (Symbolbild): Holmiumatome werden zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet. (Bild: Natterer/EPFL)

Kleiner geht es kaum: Eine neue Speichertechnik nutzt die Atome eines Metalls als Informationsträger. Die Forscher aus der Schweiz wollen damit keine neuartige Festplatte entwickeln.
Von Jan Oliver Löfken

Das silberweiß glänzende und relativ weiche Metall Holmium 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, konnten sich die Holmiumatome die digitalen Werte für einige Stunden merken - eine für derartige Grundlagenversuche relativ lange Zeitspanne.

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"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 

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Eheran 10. Mär 2017

Wie viele Elemente (nicht Atome) fallen dir denn ein, die nur den einen Zustand...

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Niaxa 09. Mär 2017

Ich spalte meine Atome immer mehrmals, um Platz zu schaffen. In einem 1000stel atom ist...

Themenstart

HolmHansen 09. Mär 2017

Ich schicke einfach alles in die Cloud (auch wenn dort sicher jemand meine Daten klaut) xD

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JouMxyzptlk 08. Mär 2017

Korrekt es wurde mit dem Rastertunnelelektronenmikroskop gemacht. Man hat absichtlich...

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