Kleinster Datenspeicher der Welt

Ein Bit auf zwölf Atomen: Daten auf einem Millionstel Millimeter

Foto: IBM/CFEL

Mit Hamburger Beteiligung ist es Forschern gelungen, ein Bit auf nur zwölf Atomen unterzubringen - auf etwa dem Millionstel eines Millimeters.

Die Abbildung, die oben zu sehen ist, zeigt eine extrem vergrößerte Darstellung. Denn mit bloßem Auge wären die gelb-roten Zacken nicht zu erkennen: Es handelt sich um zwölf Eisenatome, Teilchen, die zehn Millionen Mal kleiner sind als ein Millimeter. Zusammen bilden sie den kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt.

Maßgeblich zur Konstruktion der erstaunlichen Einheit beigetragen hat ein Hamburger Forscher: Dr. Sebastian Loth vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) am Desy. Dem 32 Jahre alten Physiker gelang es zusammen mit Dr. Andreas Heinrich vom Computerkonzern IBM und weiteren Forschern, auf den zwölf Atomen ein Bit zu speichern, die Grundeinheit der Information. Acht Bit (ein Byte) brachte die Gruppe auf 96 Atomen unter. Zum Vergleich: Herkömmliche Festplatten nutzen den Platz von etwa einer Million Atomen, um ein Bit zu speichern. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachjournal "Science".

Die Arbeit berührt ein im wahrsten Sinne des Wortes großes Problem der Informationsgesellschaft: Computerchips sind in den vergangenen 20 Jahren eine Million Mal schneller geworden, Festplatten bieten heute dagegen nur 1000-mal mehr Platz als damals. Während immer schnellere Rechner immer mehr Daten produzieren, hinkt die Speichertechnik hinterher. Privatanwendern kann das noch egal sein: Die Festplatten ihrer PCs bieten reichlich Raum, um die komplette Musiksammlung, Fotos und Videos abzulegen.

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Eine ganz andere Dimension bekommt das Problem schon jetzt in der Industrie und der Forschung, wo Supercomputer am Werk sind. Der Hochleistungsrechner Blizzard am Deutschen Klimarechenzentrum in Hamburg beispielsweise produziert durch Klimasimulationen jährlich zehn Petabyte an Informationen - das entspricht fünf Billionen Textseiten. Seit Jahren schon warnen Experten, dass es zunehmend schwerer werden wird, diese wahnwitzigen Informationsmengen zu beherrschen, wenn nicht schnell neue Wege gefunden werden, Daten zu speichern und zu bearbeiten.

Deshalb tüfteln Computerkonzerne zusammen mit wissenschaftlichen Instituten an besseren magnetischen Speichern. Doch während viele Forscher versuchen, die Speicherdichte herkömmlicher Festplatten schrittweise zu erhöhen, also auf immer kleinerem Raum immer mehr Daten zu speichern, geht die Gruppe um Sebastian Loth einen anderen Weg: "Die Miniaturisierung kann nur bis zum Level der Atome funktionieren - deshalb haben wir gleich dort angefangen", sagt Loth.

Herkömmliche Festplatten arbeiten so: Ein Schreiblesekopf magnetisiert winzige Felder, wobei jedes magnetisierte Feld für eine Eins oder eine Null steht, die beiden Zeichen des digitalen Alphabets - Bits. Zwei Faktoren machen es allerdings schwer, die Felder zu verkleinern. Der erste ist die Temperatur: Je wärmer die Festplatte im Betrieb wird, desto instabiler werden die Magnetfelder. Der zweite Faktor ist der nachbarschaftliche Einfluss: Je enger die Magnetfelder aneinanderrücken, desto höher ist die Gefahr, dass sie sich gegenseitig stören. Letzteres liegt vor allem daran, dass die einzelnen Eisenatome wie kleine Kompassnadeln in die gleiche Richtung zeigen. Ferromagnetismus heißt dieser magnetische Zustand. Beim Antiferromagnetismus hingegen richten die benachbarten Atome ihr magnetisches Moment gegensätzlich zueinander aus. Dadurch müsste es möglich sein, dass einzelne Speicherfelder nach außen hin magnetisch neutral erscheinen und ihre Nachbarn nicht stören, so die Annahme der Forschergruppe um Sebastian Loth. Tatsächlich konnten die Physiker acht antiferromagnetisch geordnete Zwölferblocks von Eisenatomen nebeneinander platzieren, im Abstand von jeweils einem Millionstel Millimeter - ohne, dass sich die acht auf den Blöcken gespeicherten Bits gegenseitig störten.

Wie genau stellt man ein solches Bauteil her? Schon länger ist es möglich, einzelne Atome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu manipulieren, also zu "greifen" und nebeneinander aufzureihen. Allerdings verfügen nur wenige Forschungsgruppen weltweit über diese Technik und die nötige Kompetenz. Am Almaden-Forschungszentrum von IBM in San José (Kalifornien) brachten Sebastian Loth und seine Kollegen zunächst Eisenatome auf eine Kupfernitritoberfläche auf. Dann schoben sie mit einem Rastertunnelmikroskop jeweils zwölf Eisenatome so in einem Block zusammen, dass diese sich gegensätzlich zueinander anordneten. Über das Mikroskop legten sie einen elektrischen Strom an, der jeden Block in einen Zustand versetzte, der den Werten 0 oder 1 entspricht.

Hier wird es noch etwas komplizierter: Der magnetische Zustand eines Blocks hängt davon ab, in welche Richtung das jeweils erste Atom des Blocks weist. Zeigt es nach oben, könnte man für seinen Block eine 0 festlegen; zeigt es nach unten, könnte man den Wert 1 zuweisen. Das ändert nichts daran, dass die Atome jedes Blocks gegensätzlich zueinander angeordnet sind - nur jeweils in einer anderen Reihenfolge.

Noch hat die Sache allerdings einen großen Haken: Bisher funktioniert die Speicherung nur in einem Vakuum bei minus 268 Grad - nur dann sind die Eisenatome stabil. Und noch ist zum Beschreiben und Auslesen der Blöcke ein Rastertunnelmikroskop nötig. Wie sollte man solche Bedingungen in einer Festplatte herstellen? Die Forscher wissen aber, dass sich die Atome stabiler verhalten, wenn man sie enger zusammenpackt. Hier gebe es noch Spielraum, sagt Loth: "Wir gehen davon aus, dass es möglich wäre, eine Ansammlung von etwa 200 Atomen zu konstruieren, die auch bei Raumtemperatur Daten stabil speichert." Das wäre zwar eine größere Fläche als der jetzt konstruierte Datenspeicher aus zwölf Atomen, aber immer noch ein gewaltiger Unterschied zu herkömmlichen Festplatten.

Bis zur Marktreife, schätzt Loth, wird es aber noch mindestens zehn Jahre dauern. Von einer solchen Technologie würden zunächst insbesondere Industrie und Forschung profitieren. Aber auch Privatpersonen hätten etwas davon, weil sie alle persönlichen Daten - vom Lebenslauf über Fotos und Musik bis hin zu Röntgenaufnahmen - mit sich tragen könnten: auf einer Karte, in ihrem Handy oder in ihrer Uhr.

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