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Ein Bite auf neun Quadratnanometern
Forscher entwickeln bisher kleinsten magnetischen Datenspeicher
Foto: Viktor Mildenberger, www.pixelio.de
Erfolg an der Schnittstelle zwischen klassischer und Quantenphysik: Einem internationalen Forscherteam ist es erstmals gelungen, einen Nanospeicher aus Antiferromagneten herzustellen. Der magnetische Datenspeicher benötigt im Vergleich zu normalen Speichern nur einen Bruchteil des Platzes. Da er außerdem nach außen hin magnetisch neutral ist, beeinträchtigt er seine Nachbarn nicht - selbst wenn diese nur einen Nanometer entfernt sind.
Die Datenmenge - auf geschäftlich wie privat genutzten Computern - wächst stetig."Noch vor zehn Jahren konnte sich kaum jemand vorstellen, dass wir Musik und sämtliche Urlaubsbilder auf nur einem Rechner speichern können", erinnert sich Sebastian Loth vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg. Doch die Computer-Entwickler stoßen allmählich an ihre Grenzen: "Derzeit werden für die Speicherung von Daten kleine Ferromagneten verwendet. Deren Teilchen sind alle in die gleiche Richtung orientiert. Mit ihrer Größe wächst auch die Stärke ihres Magnetfeldes, so dass womöglich benachbarte Strukturen beeinflusst werden können - und dabei gehen Daten verloren", erklärt Loth.
Deshalb stellte sich ein internationales Forscherteam um den Physiker die Frage, wie klein das kleinste Speicherelement sein kann. Jetzt hat er eine Antwort: "So groß wie zwölf Atome. "Um auf das Dutzend zu kommen, entwickelten die Wissenschaftler ein neues Konzept: Anstatt der üblichen Ferromagneten verwendeten sie Antiferromagneten, in denen die Atome entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops setzten die Wissenschaftler in einem regelmäßigen Muster Atom neben Atom. "Mit der Spitze des Mikroskops haben wir einzelne Eisenatome aufgepickt und an der gewünschten Stelle wieder abgesetzt", erklärt Sebastian Loth.
Die gegenläufige Ausrichtung der Atome ermöglichte es den Forschern, sie besonders eng nebeneinander zu setzen. Die kleinste mögliche Einheit, um ein Bit Daten zu speichern, entspricht laut Loth zwei Reihen à sechs, also insgesamt zwölf Atomen, die ganze neun Quadratnanometer Raum einnehmen. Mit Strom können diese Blöcke - und damit die einzelnen Atome - umgepolt werden. Das war bislang bei Antiferromagneten nicht gelungen, denn nach außen hin sind sie magnetisch neutral. Genau diese Eigenschaft ist aber ein entscheidender Vorteil für den Nanospeicher, denn selbst bei nur einem Nanometer Abstand beeinflussen sich die Atome nicht gegenseitig: Wird der eine Block umgepolt, bleibt die Struktur des Nachbarn unverändert.
Bislang ist dieser Zustand jedoch nur bei ultrakalten Bedingungen bis minus 268 Grad Celsius stabil. "Bei Raumtemperatur bräuchten wir für ein Bit 150 bis 200 Atome", spekuliert Sebastian Loth. "Zum Vergleich: Eine normale Festplatte benötigt für die gleiche Datenmenge etwa eine Million Atome.
"Wann und in welcher Form die Nanospeicher Anwendung finden werden, ist noch nicht absehbar - "aber wir haben gezeigt, dass sich Antiferromagneten grundsätzlich zur Datenspeicherung eignen", stellt Loth fest. "Zudem hilft uns das Konzept, den Übergang vom klassischen Magnetismus zum Antiferromagnetismus der Nanowelt zu verstehen. Denn der Nanospeicher lasse es zu, jedes einzelne Atom anzuschauen und seine Eigenschaften zu untersuchen."
Sebastian Loth (IBM Research Division, San Jose) et al.: Science, Bd. 335, S. 196, doi: 10.1126/science.1214131
© wissenschaft.de - Marion Martin
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