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Der kleinste Magnetspeicher der Welt

Ein Datenbit lässt sich in einem Antiferromagneten aus zwölf Eisenatomen unterbringen – das könnte die Speicherdichte 100fach erhöhen

16.01.2012

© Sebastian Loth

Ein atomarer Speicher. In gerade mal 12 Atomen bringen Forscher von IBM und der Max-Planck-Gesellschaft ein Datenbit unter. Die abwechselnde Blau und Weiß-Färbung verdeutlicht die antiferromagnetische Anordnung.

© Sebastian Loth

Die Datenpunkte aus einem antiferromagnetischen Material lassen sich deutlich dichter nebeneinander anordnen als die derzeit gebräuchlichen ferromagnetischen Bits. Hier sind die acht Bits eines Bytes zu erkennen. Je nachdem, welche von zwei möglichen Antiferromagnetischen Anordnungen die magnetischen Momente eines Bits einnehmen, steht es für eine Null oder eine Eins.

© Sebastian Loth

Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ordnen die Forscher die Eisenatome gezielt zu einem Bit an. Die Wechselwirkungen eines Eisenatoms mit der Spitze und der Kupfernitridoberfläche sind in diesem Model durch Feldlinien angedeutet.

Der IT-Industrie könnten sich nun neue Möglichkeiten eröffnen. Wissenschaftler der IBM Forschungsabteilung im kalifornischen San Jose und einer Forschungsgruppe des Max-Planck Instituts für Festkörperforschung am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die Grundlage für einen neuartigen magnetischen Datenspeicher gelegt. Während herkömmliche magnetische Speicher den Ferromagnetismus nutzen, hat das Forscherteam nun erstmals einen antiferromagnetischen Datenspeicher entwickelt. Der Antiferromagnetismus erschien bislang als ungeeignet, um Computern ein Gedächtnis zu geben. Mit seiner Hilfe haben die Wissenschaftler ein Datenbit nun aber in gerade einmal zwölf Atomen untergebracht und Information 100 Mal dichter gepackt, als dies in heute üblichen Festplatten möglich ist. Damit sind sie auch zu der Grenze vorgestoßen, ab der Quanteneffekte berücksichtigt werden müssen. 

Heute übliche Festplatten sind unglaublich gut, aber sie sollen noch besser werden: 700 Milliarden Datenpunkte speichern sie auf kaum mehr als der Fläche einer Briefmarke. Doch die IT-Industrie möchte, wie in den vergangenen Jahrzehnten, die Speicherdichte auch künftig etwa alle zwei Jahre verdoppeln, damit sich große Datenmengen, wie sie zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik anfallen, künftig besser verarbeiten lassen. Das wird zunehmend schwierig, und zwar aus einem prinzipiellen Grund: Heutige Festplatten legen Datenbits in einem ferromagnetischen Material ab. Jeder Datenpunkt gleicht dabei einem winzigen Stabmagneten, der die Null oder Eins eines Bits in zwei verschiedenen Orientierungen seiner Pole speichert.

Damit das magnetische Feld eines Datenpunktes nicht seinen Nachbarn beeinflusst, brauchen die Speicherpunkte einen Mindestabstand zueinander. Der könnte dank der Entdeckung des Forscherteams um Andreas Heinrich, IBM, und Sebastian Loth, seit kurzem Mitarbeiter der Max-Planck-Gesellschaft, künftig deutlich schrumpfen. Den Wissenschaftlern gelang es, Daten in gerade einmal zwölf Atomen eines antiferromagnetischen Materials zu speichern. Auf Speichermedien mit solchen Datenpunkten ließe sich Information 100 Mal dichter packen als auf heutigen Festplatten. Damit würde sich die Speicherdichte ähnlich stark erhöhen wie seit Mitte der 1990er-Jahre, als der heimische PC noch nicht als Bild- oder Filmarchiv diente.

Zwei unterschiedliche antiferromagnetische Zustände in einem Atomensemble

Der Clou des neuartigen Speichermaterials liegt darin, dass die magnetischen Momente der einzelnen Atome, die sich ebenfalls als winzige Stabmagnete betrachten lassen, in einer antiferromagnetischen Anordnung abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen zeigen und nicht, wie im Ferromagneten, alle in dieselbe. Ein Antiferromagnet ist daher nach außen magnetisch neutral, so dass sich benachbarte Datenpunkte in diesem Zustand nicht spüren und beinahe beliebig dicht anordnen lassen.

„Wir haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, in kurzen Reihen von Eisenatomen zwei unterschiedliche antiferromagnetische Zustände zu erzeugen, einen für die Null und einen für die Eins“, sagt Sebastian Loth. Er und seine Kollegen können nun bewusst beeinflussen, ob die antiferromagnetische Kette abwechselnd orientierter Stabmagnete mit einem Nordpol oder einem Südpol startet. Beim Sprung von einem in den anderen Zustand kehrt sich dementsprechend die Orientierung aller Stabmagnete in der Kette um. Gewöhnlich bilden die beiden Ausrichtungen einen quantenmechanischen Mischzustand, einen sogenannten Superpositionszustand, in dem sich das Atomensemble erst im Moment einer Messung zufällig für eine der beiden Anordnungen entscheidet.

Sauber voneinander trennen können die Forscher die beiden Zustände, weil sie die Eisenatome auf einer Kupfernitrid-Oberfläche platzieren. Diese stabilisiert in Eisenketten die als Néel-Zustand bekannte abwechselnde Anordnung der magnetischen Momente und unterbindet die Ausbildung des Mischzustandes. Der Wirkung des Kupfernitrids und dem sorgfältig gewählten Abstand zwischen den Eisenatomen verdanken die Forscher auch, dass sie Antiferromagnete ausgerechnet aus dem Element erzeugen konnten, das den Ferromagneten ihren Namen gegeben hat.

Die Nanostrukturen erfüllen alle Anforderungen an Datenspeicher

„Möglich war das nur, weil wir die Atome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops sehr präzise auf der Oberfläche positionieren können“, erklärt Sebastian Loth. Die Forscher haben die Nanostrukturen also Atom für Atom aufgebaut. Diese weltweit nur von wenigen Laboren beherrschte Präzision ermöglichte es den Wissenschaftlern, zahlreiche atomare Anordnungen zu untersuchen. Dabei stellten sie fest, dass sich zwei benachbarte Reihen von jeweils sechs Atomen am besten als Speicherpunkt für ein Bit eignen.

„Unsere Nanostrukturen erfüllen alle Bedingungen an ein Speichermaterial“, sagt Andreas Heinrich, der Leiter des IBM-Labors. Sie können zwei Zustände für Null und Eins einnehmen, sie lassen sich dicht packen, auslesen und schalten. „Ehe antiferromagnetische Datenpunkte tatsächlich zum Einsatz kommen, wird aber sicher noch einige Zeit vergehen“, so Andreas Heinrich. Derzeit bleibt die magnetische Orientierung der Eisenketten nur bei Temperaturen von minus 268 Grad Celsius stabil, darüber ändert sie sich ständig. Je stärker die Atome miteinander magnetisch verbunden werden, desto weniger kann Wärme die Anordnung stören – die magnetischen Momente stabilisieren sich gegenseitig, und je mehr es sind, desto besser. „Wir gehen davon aus, dass weniger als 200 Atome bei Raumtemperatur einen stabilen antiferromagnetischen Zustand bilden können“, sagt Andreas Heinrich. Momentan benötigen Festplatten den Platz von ungefähr einer Million Atomen, um dies zu erreichen.

Um die magnetischen Momente in einer antiferromagnetischen Eiseninsel gezielt umzuklappen und so einen Datenpunkt etwa von der Null auf die Eins zu schalten, bedienen sich die Forscher ebenfalls der Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Diese setzen sie auf ein Atom am Ende einer Zweierreihe und schicken einen Stromstoß hindurch. Dann dreht sich das magnetische Moment dieses Atoms um und zieht in weniger als 20 Nanosekunden alle anderen Atome nach sich.

Was geschieht jenseits der Grenze, an der Quanteneffekte auftreten?

Stromstöße mit geringer Spannung lassen die magnetische Orientierung unverändert, ermöglichen es den Wissenschaftlern aber, den Zustand der Atominsel zu bestimmen. Die Spitze ist nämlich so präpariert, dass sie selbst ein magnetisches Moment trägt. Wie viel Strom zwischen der Spitze und dem Eisenatom eines Speicherpunktes fließt hängt davon ab, ob ihre magnetischen Momente gleich oder entgegengesetzt orientiert sind.

Nanostrukturen aus weniger als zwölf Atomen erwiesen sich auch bei tiefer Temperatur als zu unstabil für die Datenspeicherung. Denn durch das sogenannte Quantentunneln springen sie unwillkürlich von einem in den anderen Zustand.

„Für klassische Datenspeicher stellen Quanteneffekte eine fundamentale Barriere dar, aber es könnte möglich sein, sie in Zukunft nutzbar zu machen“, sagt Sebastian Loth, der seit kurzem die Max-Planck-Forschungsgruppe Dynamik nanoelektrischer Systeme am Hamburger CFEL und dem Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung leitet. In Hamburg konstruiert er ein neuartiges Rastertunnelmikroskop für ultra-schnelle Messungen an einzelnen Atomen. Mit diesem Mikroskop wird er sich auch der Frage widmen, was jenseits der Grenze geschieht, an der Quanteneffekte auftreten. „Wir können die Quanteneffekte durch Form und Größe der Eisenreihen jetzt gezielt beeinflussen. Das erlaubt es uns zu untersuchen, wie die Quantenmechanik einsetzt“, erklärt Loth. „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.“

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