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Speicherdichte IBM erzeugt magnetischen Speicher von der Größe eines Atoms

| Autor: Sebastian Gerstl

IBM-Forschern aus Kalifornien ist es zusammen mit Wissenschaftlern der ETH Lausanne aus der Schweiz ist es gelungen, einzelne Atome eines Metalls als magnetischen Datenträger zu nutzen. Die Grundlagenforschung eröffnet vollkommen neuen Möglichkeiten für hohe Speicherdichten.

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Aufnahme eines einzelnen Holmium-Atoms aus einem Rastertunnelmikroskop. Das den seltenen Erden zugehörige Metall Holmium konnte dazu genutzt werden, um den kleinstmöglichen Magneten mit der Größe eines einzelnen Atoms zu erzeugen. Da der Atom-Magnet per Stromimpuls zwischen zwei Zuständen hin- und hergeschaltet werden kann, ist er auch zur Datensicherung nutzbar.
Aufnahme eines einzelnen Holmium-Atoms aus einem Rastertunnelmikroskop. Das den seltenen Erden zugehörige Metall Holmium konnte dazu genutzt werden, um den kleinstmöglichen Magneten mit der Größe eines einzelnen Atoms zu erzeugen. Da der Atom-Magnet per Stromimpuls zwischen zwei Zuständen hin- und hergeschaltet werden kann, ist er auch zur Datensicherung nutzbar.
(Bild: IBM Research)

Aktuelle Festplatten benötigen nach wissenschaftlichen Schätzungen etwa 100.000 Atome, um ein einzelnes Datenbit zu speichern. Ein Forscherteam von IBM und der ETH Lausanne (EPFL, École polytechnique fédérale de Lausanne) konnte dieses Potential nun auf ein einzelnes Atom reduzieren.

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Den Wissenschaftlern ist es gelungen, aus einem einzelnen Holmium-Atom – einem den Seltenen Erden zugehörigen Metall aus der Serie der Lanthanoiden – den bislang kleinsten beständigen Magneten der Welt zu generieren. Indem sie zwei dieser Ein-Atom-Magnete mit einem Abstand von einem Nanometer zueinander kombinierten, konnten die Forscher den bislang kleinsten vorstellbaren Datenspeicher schaffen. Mit Hilfe von Strompulsen ließ sich die magnetische Resonanz des jeweils einzelnen Atoms ändern und somit zwischen zwei Werten hin- und herschalten. Somit konnte die zwei Atome fassende Festplatte ein Bit pro Atom – also insgesamt zwei Bit – zuverlässig sichern. Die gespeicherten Werte ließen sich auch nach einem Zeitraum von mehreren Stunden wieder erfolgreich abrufen.

Ein Atom würde nach derzeitigem Kenntnisstand den kleinsten möglichen Magnet darstellen, der potentiell existieren kann. Die Möglichkeit, so eng nebeneinander platzierte Atome als separate Speicher zu nutzen, kann dazu führen, dass Daten 1000-mal dichter als bisher auf Festplatten und Solid State Memory Chips gesichert werden können. Wie IBM beispielhaft ausführt, ließen sich damit alle 35 Millionen Songs, die derzeit beim Apple-Dienst iTunes verfügbar sind, auf einem einzelnen Datenträger von der Größe einer Kreditkarte sichern.

„Magnetische Bits sind das Herz von Festplatten, Bandspeichern und aller verwandten auch zukünftigen Technologien“, sagt Christopher Lutz, Nanowissenschaftler bei IBM. „Wir wollten durch diese Forschungsarbeit verstehen, was passiert, wenn wir Technologien auf Atomgröße verkleinern.“

IBM forscht schon seit längerem an der Möglichkeit, Magnete von der Größe eines Atoms zu erzeugen Bereits 2004 formierten IBM und Standford ein gemeinsames „Spintronics“-Labor, um die Möglichkeit von magnetischen Spins als Datenträger im Nano-Bereich zu erforschen. Auch mit der Möglichkeit, magnetische Atome zu erzeugen und diese als Speicher zu nutzen, haben sich IBM-Forscher jahrelang befasst, doch waren solche Magnete bislang nicht beständig. Bereits 2013 hatten etwa Forscher des KIT nachgewiesen, dass sich Holmium-Atome prinzipiell als Magnete nutzen ließen. Diese hatten aber nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und nur für äußerst kurze Zeit – etwa 10 Minuten – Bestand. Auch an der niederländischen TU Delft wurde unter Nutzung von Chromatomen eine ähnliche Speicherdichte zwischenzeitlich erreicht, aber auch nur bei der Temparatur von flüssigem Stickstoff (77° K). Die Grundlagenforschung von IBM und der ETH Lausanne bringen die Forschungen nun der praktischen Anwendbarkeit einen gehörigen Schritt näher.

Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsergebnisse im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

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