Ein Atom als haltbarer Datenspeicher

In zukünftigen Datenspeichern könnten einzelne Atome als Bits fungieren und so besonders hohe Datendichten erlauben. Bisher braucht es einen Verbund von mehreren Millionen Atomen, damit ein magnetisches Bit so stabil ist, dass Festplattendaten über Jahre sicher sind. Nun berichten Forscher im Fachmagazin „Nature“ von einem weiteren Schritt in Richtung Ein-Atom-Bit: Sie haben ein einzelnes Atom auf einer Oberfläche so fixiert, dass sein magnetisches Moment über zehn Minuten lang stabil blieb.

„Ein einzelnes Atom, das auf einer Unterlage fixiert wird, ist meist so empfindlich, dass es nur Bruchteile einer Mikrosekunde – 200 Nanosekunden – seine magnetische Ausrichtung beibehält“, erklärt Wulf Wulfhekel vom Karlsruher Institut für Technologie. Die Ursache für dieses unerwünschte „Umklappen“ der magnetischen Momente steckt in deren quantenphysikalischer Natur – aber auch in der Unterlage: Das Atom wechselwirkt mit den Elektronen und Atomkernen des Materials, auf dem es befestigt wurde. Das bringt sein magnetisches Moment ins Wanken.

Metallische Platinoberfläche in 3D, aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop. Einzelne Holmiumatome ragen als spitze Kegel aus der Oberfläche heraus.
Holmiumatome auf Platin

Zusammen mit seinen Kollegen hat es Wulfhekel nun geschafft, die Haltedauer der magnetischen Momente auf mehrere Minuten zu verlängern. In dem aktuellen Experiment setzten die Forscher ein einzelnes Holmiumatom auf eine Platinunterlage. Bei Temperaturen von rund einem Grad Kelvin – also nahe am absoluten Nullpunkt – vermaßen sie die magnetische Ausrichtung des Atoms mit der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Erst nach etwa zehn Minuten klappte der Spin und das damit verbundene magnetische Moment des Atoms um. „Das System hält sein einmal eingestelltes magnetisches Moment somit rund eine Milliarde Mal länger als vergleichbare atomare Systeme“, so Wulfhekel. „Dies öffnet nicht nur das Tor zu dichteren Computerspeichern, sondern könnte auch für den Aufbau von Quantencomputern einen Grundstein legen.“

„Um die Spin-Umklapp-Zeiten zu verlängern, haben wir den störenden Einfluss der Umgebung für das Atom ausgeblendet“, erklärt Koautor Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik. Im Fall von Holmium und Platin nutzten die Forscher hierfür bestimmte Symmetrien, die dem Quantensystem bereits innewohnen, etwa die räumliche Punktsymmetrie in der näheren Umgebung des magnetischen Atoms. Durch sie sind Holmium und Platin gewissermaßen füreinander „unsichtbar“. Ohne den störenden Einfluss der Unterlage lässt sich im Holmiumatom dann länger Information speichern. Dafür wird sein magnetisches Moment durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds in der gewünschten Position ausgerichtet.