Pro Atom ein Bit

Dutzende Gigabyte passen heute bereits auf kleine Speicherkarten für Smartphones oder Kameras. Doch theoretisch ließe sich auf dem gleichen Platz die tausendfache Datenmenge speichern. An diese Grenze der maximal möglichen Speicherdichte tastete sich nun ein Forscherteam aus Physikern vor. Ihnen gelang der Bau eines Datenspeichers, der für jedes digitale Bit nur ein einziges Chloratom benötigte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, ließ sich ihr Speicher binnen weniger Minuten beschreiben und wieder auslesen.

Blick auf eine Fläche mit vielen dunklen Punkten, die zu einzelnen Rechtecken angeordnet sind.
Ein Kilobyte des extrem dichten Datenspeichers

„Mit dieser Datendichte würden theoretisch alle jemals geschriebenen Bücher auf eine einzige Briefmarke passen“, veranschaulicht Sander Otte von der TU Delft das Potenzial von atomar kleinen Datenspeichern. Für ihren Prototyp, der trotz extremer Datendichte nur eine Kapazität von einem Kilobyte hatte, nutzten Otte und Kollegen eine extrem glatte und saubere Kupferoberfläche. Unter Vakuum verdampften sie etwas Kupferchlorid, sodass sich nach bereits drei Minuten Tausende Chloratome auf der Oberfläche ablagerten. Nach diesem Aufdampfprozess wechselten sich zahlreiche Chloratome mit Tausenden noch leeren Plätzen ab.

Exakt diese Kombination aus Chloratomen und Lücken bildete die Grundlage für den extrem dichten Datenspeicher. Denn nun brauchten nur einzelne Chloratome in eine benachbarte Lücke geschubst werden, um zwischen den digitalen Basiswerten „0“ und „1“ hin- und herzuschalten. Möglich war dies mit der atomfeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Mit winzigen elektrischen Strömen in der Mikroskopspitze ließen sich die Chloratome mit einer Zuverlässigkeit von 99 Prozent auf den gewünschten Platz bugsieren. „Diesen Vorgang kann man mit einem Schiebepuzzle vergleichen“, sagt Otte.

Allerdings war dieser Schreibprozess im Vergleich zu konventionellen magnetischen Festplatten noch sehr langsam. Für jedes Byte brauchten die Forscher etwa ein bis zwei Minuten. Immerhin gelang das Auslesen der Daten mit der Mikroskopspitze knapp zehnmal schneller. Um die extrem hohe Datendichte zu demonstrieren, schrieben Otte und Kollegen die ersten Sätze einer berühmten Vorlesung des Physikers und Vordenkers der Nanotechnologie, Richard Feynman, auf ein winziges Areal ihres Chlor-Kupfer-Speichers.

Schnellere Schreib- und Leseprozesse von bis zu einem Megabit pro Sekunde hält Otte mit automatisch verfahrbaren Spitzen von Rastertunnelmikroskopen für möglich. Trotzdem ist diese Technologie von einer praktischen Anwendung noch sehr weit entfernt. Doch im Vergleich zu früheren Ansätzen atomarer Datenspeicher, die sich Daten nur für einige Minuten merken konnten, zeigte sich dieser Prototyp deutlich stabiler. Bei tiefkalten Temperaturen von minus 196 Grad Celsius blieben die Chloratome fast zwei Tage lang auf ihren zugewiesenen Positionen. Sander Otte ist sich bewusst, dass sein Speicherkonzept noch lange auf eine praktische Anwendung warten muss. „Wir wollten auch zeigen, welchen erstaunlichen Grad an Präzision wir Menschen mit unserer Technologie mittlerweile erreichen können. Das ist der wahre Fortschritt und nicht die konkrete Anwendung“, so der Forscher.