Magnetischer Speicher mit zwölf Atomen pro Bit

Hamburg/San Jose (Kalifornien) – Moderne Festplatten nutzen mindestens eine halbe Milliarde Atome, um ein Byte an Information zu speichern. Ein neuer magnetischer Speicher aus Eisenatomen unterschreitet solche Werte deutlich: Die Forscher benötigten lediglich zwölf Atome für die Grundeinheit der Information, das Bit, und damit 96 Atome für ein Byte (8 Bits).

Mikroskopaufnahme, die zwölf Atome sind als spitze Erhebungen zu sehen, sie sind in zwei dicht nebeneinander liegenden Reihen angeordnet.
Speichereinheit aus zwölf Atomen

Zum Speichern nutzen Wissenschaftler vom Computerkonzern IBM und dem Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) eine besondere Form des Magnetismus, den Antiferromagnetismus. Anders als beim Ferromagnetismus, durch den herkömmliche Festplatten funktionieren, liegen dabei die Eigendrehimpulse (Spins) benachbarter Atome entgegengesetzt. Dadurch erscheint das Material nach außen magnetisch neutral, und so lassen sich die einzelnen Speicherelemente viel dichter platzieren.

Statt vorhandene Bauelemente immer weiter zu verkleinern, baute die Gruppe den Speicher Atom für Atom auf: Mit einem Rastertunnelmikroskop setzten sie ein regelmäßiges Muster aus Eisenatomen zusammen. Bei den verwendeten Elementen stellten sich zwölf Atome als Untergrenze heraus, damit Quanteneffekte die Information nicht verwischen. Jeweils zwei Ketten aus sechs Atomen speichern dabei ein Bit. Ein Byte beansprucht dadurch lediglich eine Fläche von 4 mal 16 Nanometer. Beschrieben und ausgelesen wird der Nanospeicher ebenfalls mit dem Rastertunnelmikroskop. Die Blöcke aus Eisenatomen lassen sich durch elektrischen Strom zwischen zwei Magnetisierungszuständen umschalten. Diese entsprechen den Werten 0 und 1, den beiden möglichen Zuständen eines Bits.

Allerdings sind die Nanomagnete bislang nur bei ultrakalten Temperaturen von minus 268 Grad Celsius (5 Kelvin) stabil. Die Forscher gehen davon aus, dass eine Ansammlung von maximal 200 Atomen auch bei Raumtemperatur einen stabilen magnetischen Zustand bilden kann.

Ihre Experimente stellen für die Wissenschaftler auch ein Testsystem für den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenphysik dar. „Wir haben gelernt, die Quanteneffekte durch Form und Größe der Eisenreihen gezielt zu beeinflussen“, erklärt Sebastian Loth, der die Max-Planck-Forschungsgruppe Dynamik nanoelektrischer Systeme am Hamburger CFEL und dem Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung leitet. „In Zukunft können wir diese Fähigkeit nutzen, um gezielt zu untersuchen, wie die Quantenmechanik einsetzt.“ Damit wollen die Forscher zum Beispiel herausfinden, was einen Quantenmagneten von einem klassischen Magneten unterscheidet und wie sich ein Magnet genau an der Grenze zwischen beiden Welten verhält.