Jedes Atom ein Bit
Forscher vom kalifornischen IBM Almaden Research Center in San Jose und dem physikalischen Institut der École Polytechnique Fédérale in Lausanne, sowie der Physik-Fakultät an der chinesischen Universität der Akademie der Wissenschaften haben jetzt gezeigt, wie das Schreiben und Lesen von in einzelnen Atomen gespeicherten Daten funktionieren könnte. Praktikabel sei das allerdings (noch) nicht, schreibt Christian Speicher im Internetportal der Neuen Zürcher Zeitung
„Das silberweiß glänzende und relativ weiche Metall Holmium legt die Basis für den bislang wohl kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt“, so weltderphysik.de. Pro Datenbit habe die internationale Forschergruppe nur ein einziges Holmiumatom benötigt. Dessen magnetischer Zustand habe sich mit kleinen Strompulsen zwischen zwei Werten hin- und herschalten lassen. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichteten die Forscher, wie die Holmiumatome die digitalen Werte für einige Stunden hätten speichern können – „eine für derartige Grundlagenversuche relativ lange Zeitspanne“ – sie glauben, dass die Speicherdichte von Festplattenlaufwerken dadurch um das Tausendfache gesteigert werden könnte. Bisher sind etwa 100.000 Atome nötig, um ein Bit stabil zu speichern.
„Ganz hoffnungslos“ sei das Vorhaben allerdings nicht, so Speicher in der NZZ: „Im vergangenen Jahr hatten Forscher der ETH Zürich und der ETH Lausanne gezeigt, dass Holmiumatome erstaunlich stabil sind, wenn man sie auf einer nicht-magnetischen Unterlage von Magnesiumoxid abscheidet. Bei Temperaturen unterhalb von 30 Kelvin (minus 243 Grad Celsius) behielt das magnetische Moment der Atome etwa eine halbe Stunde lang seine Orientierung bei, ohne in die entgegengesetzte Richtung umzuklappen“.
Hier knüpft die Arbeit von Fabian Natterer und seinen Mitautoren an: „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. Rein rechnerisch könnten mit dicht aneinander gereihten Holmiumatomen etwa 100.000 Gigabyte auf der Fläche einer Briefmarke gespeichert werden. Der Prototyp des Magnetspeichers, den Natterer gemeinsam mit seinen Kollegen entwickelt hat, bestand aus nur zwei Holmiumatomen. Diese ordneten die Forscher auf einer mit isolierendem Magnesiumoxid bedeckten Trägerfläche aus Silber an. Das Zwei-Bit-System reichte aus, um die Machbarkeit eines atomar kleinen Magnetspeichers zu demonstrieren.
Die beiden Holmiumatome konnten zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet werden – Null und Eins. Zum Schalten nutzten Natterer und sein Team die magnetisierte Spitze eines Rastertunnelmikroskops, durch die sie kurze Strompulse mit einer Spannung von etwa 150 Millivolt schickten.
Trotz des geglückten Experiments ist der Weg zu einer Holmium-Festplatte mit einer Kapazität von Millionen Gigabyte noch sehr weit. „Die genutzten Techniken zum Schreiben und Lesen der Daten sind nicht gerade nutzerfreundlich oder gar erschwinglich“, schreibt denn auch Roberta Sessoli von der Universität Florenz in einem begleitenden Kommentar. Schon sind allerdings auch andere Forschergruppen daran, die maximal mögliche Speicherdichte zu ergründen: So bauten vor einem Jahr Physiker einen nichtmagnetischen Datenspeicher, der für jedes digitale Bit nur ein einziges Chloratom benötigte. Ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ließ er sich binnen weniger Minuten beschreiben und wieder auslesen.
Pietro Gambardella von der ETH Zürich, der vor einem Jahr die aussergewöhnliche Stabilität der Holmiumatome demonstriert hatte, bezweiflelt aber (so Speicher), ob diese Form der Informationsspeicherung eine Anwendung finden wird.
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