Kernspin als Datenspeicher

Kerne von Phosphoratomen können sich digitale Daten fast zwei Minuten lang merken - Speicherelement für zukünftige Spintronik-Chips

Kernpin-Datenspeicher
Kernpin-Datenspeicher

Salt Lake City (USA) - Elektrische Ladungen von Elektronen speichern und verarbeiten heute digitale Daten in allen Computerchips. In Zukunft könnten einzelne Atomkerne mit ihren magnetischen Eigenschaften diese Aufgabe sehr viel effizienter übernehmen. Auf dem Weg hin zu solchen Spintronik-Modulen schufen Physiker von der University of Utah einen Kernspin-Datenspeicher aus Phosphoratomen. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, könnte dies die Grundlage für die kleinsten Datenspeicher überhaupt legen und die Entwicklung zu leistungsfähigen Quantencomputern voran treiben.

"Auf diesem Weg könnte man direkt einen Speicherchip bauen", sagt Christoph Boehme, Leiter des Spintronik-Labors in Salt Lake City. Allerdings müsste der Chip dazu auf minus 270 Grad Celsius abgekühlt und enorm starken Magnetfeldern von 8,59 Tesla - der 200.000-fachen Stärke des Erdmagnetfelds - ausgesetzt werden. Unter diesen extremen Bedingungen gelang es den Forschern erstmals, digitale Daten mit dem magnetischen Spin eines Atomkerns für fast zwei Minuten zu speichern und wieder auszulesen. Zum Vergleich: der Arbeitsspeicher in aktuellen Prozessoren kann sich Daten nur für einige Millisekunden merken.

Stolz sind Boehme und Kollegen vor allem darauf, dass sie einen Kernspin-Datenspeicher wie herkömmliche Speicherchips elektronisch beschreiben und auslesen konnten. Dazu dotierten sie ihren nur einen Quadratmillimeter kleinen Silizium-Wafer mit Phosphor-Atomen und schlossen an dieses Modul mehrere Elektroden an. In einem ersten Schritt richteten sie mit Terahertz-Wellen die Drehungen der Elektronen um ihre eigene Achse - den Spin - rund um den Phosphorkern aus. In einem zweiten Schritt konnten sie diese Spinausrichtung mit Radiowellen auf den Magnetspin des Phosphorkerns übertragen. "Im Grunde schrieben wir so den digitalen Basiswert "1" in den Atomkern", erklärt Boehme. 112 Sekunden lang ließen sich diese digitalen Informationen ebenfalls mit Radio- und Terahertzwellen viele tausend Male auslesen, ohne den Kernspin-Datenspeicher zu zerstören.

Wegen der extremen Versuchsbedingungen ist dieser Kernspin-Speicher nicht für einen extrem kleinen und leistungsfähigen Speicherchip geeignet. Doch in weiteren Versuchen wollen Boehme und Kollegen nach und nach die Temperatur steigern und immer schwächere Magnetfelder nutzen. Bisher merkten sich die Phosphorkerne nur klassische digitale Werte. Aber prinzipiell könnte die gleiche Technologie auch für Quantencomputer genutzt werden, in denen die digitalen Nullen und Einsen zur gleichen Zeit vorliegen und über eine parallele Datenverarbeitung sehr schnelle Rechenprozesse ermöglichen sollen.