Areal von winzigen Nanomagneten, die in einer zweidimensionalen Schicht angeordnet sind (Grafik)

Magnetisches Spin-Eis für neuartige Datenspeicher

Intensiv suchen Wissenschaftler nach neuen Materialien, um digitale Datenspeicher zu verbessern. Als vielversprechendes Material gilt sogenanntes Spin-Eis, in dem sich winzige Nanomagnete wie die Sauerstoffatome der Wassermoleküle in Eiskristallen zu einem ähnlich geordneten Gitter anordnen. In der Fachzeitschrift „Science“ präsentiert nun eine Forschergruppe ein Spin-Eis, dessen magnetische Eigenschaften sich sogar bei Raumtemperatur kontrollieren ließen. Über den Einsatz für Datenspeicher hinaus könnte dieses Material auch als Hardware für zukünftige Quantencomputer dienen.

Magnetische Felder in einem zweidimensionalen Spin-Eis. Die rot-orangen Bereiche zeigen positive, die blauen negative Ladungen an. (Falschfarbenbild einer Magnetkraftmikroskop-Aufnahme)
Magnetische Felder im Spin-Eis

„Magnetisches Spin-Eis könnte zu kleineren und leistungsfähigeren Rechnern führen oder sogar eine Rolle in Quantencomputern spielen“, sagt Zhili Xiao vom Argonne National Laboratory in den USA. Für ihre Experimente deponierte er zusammen mit seinen Kollegen von der University of Illinois in Chicago winzige Nanoinseln aus einer Eisennickel-Legierung auf einer Siliziumfläche. Diese magnetischen Nanoinseln waren nur 25 millionstel Millimeter dick. Ein ganzes Areal solcher Nanoinseln wird auch als zweidimensionales Material bezeichnet.

Mit der Spitze eines Magnetkraftmikroskops veränderten die Forscher die magnetische Ausrichtung der einzelnen Nanoinseln. Die magnetischen Ladungen im Spin-Eis ließen sich dabei so kontrollieren, dass acht verschiedene Konfigurationen möglich waren. In klassischen magnetischen Datenspeichern sind dagegen nur jeweils zwei unterschiedliche Zustände, den digitalen Grundwerten 0 und 1 entsprechend, möglich. Diese Vielfalt könnte zu einer höheren Dichte der gespeicherten Daten und zu einer komplexeren, aber effizienteren Rechenlogik führen.

Die Ausrichtung der magnetischen Nanoinseln mit dem Magnetkraftmikroskop gelang viele Male hintereinander. Damit ist das Material prinzipiell geeignet, um Daten wiederholt schreiben, auslesen und wieder löschen zu können. Um die genaue Kontrolle dieser Schaltprozesse zu demonstrieren, manipulierten Xiao und Kollegen die magnetische Ausrichtung der Nanoinseln so, dass unter einem Mikroskop der Schriftzug „ICE“ sichtbar wurde. Bis zu einem magnetischen Datenspeicher mit einem zweidimensionalen Spin-Eis ist der Weg aber noch sehr weit. Zum Schreiben, Lesen und Löschen der Daten müsste eine Methode entwickelt werden, die die Aufgabe des Magnetkraftmikroskops übernehmen könnte.