Neuer Datenspeicher braucht nur ein Atom pro Bit

Das silberweiß glänzende und relativ weiche Metall Holmium legt die Basis für den bislang wohl kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt. Pro Datenbit benötigte eine internationale Forschergruppe nur ein einziges Holmiumatom. Dessen magnetischer Zustand ließ sich mit kleinen Strompulsen zwischen zwei Werten hin- und herschalten. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten die Holmiumatome die digitalen Werte für einige Stunden speichern – eine für derartige Grundlagenversuche relativ lange Zeitspanne.

„Wir schufen einen Datenspeicher am fundamentalen Limit – aus einem einzigen Atom“, sagt Physiker Fabian Natterer, der derzeit an der Technischen Hochschule in Lausanne forscht. Herkömmliche Festplatten benötigen dagegen Hunderttausende bis Millionen Atome pro Datenbit. So könnten rein rechnerisch mit dicht aneinander gereihten Holmiumatomen gut 100 000 Gigabyte auf der Fläche einer Briefmarke gespeichert werden. Der Prototyp des Magnetspeichers, den Natterer gemeinsam mit seinen Kollegen entwickelt hat, besteht bisher aus nur zwei Holmiumatomen. Diese ordneten die Forscher auf einer mit isolierendem Magnesiumoxid bedeckten Trägerfläche aus Silber an. Das Zwei-Bit-System reichte aus, um die Machbarkeit eines atomar kleinen Magnetspeichers zu demonstrieren.

Grafik; aus einem blauen Untergrund wachsen vier gelbe Kegel, auf einem steht 0 auf einem anderen 1
Holmiumatome

Die beiden an Magnesiumoxid angedockten Holmiumatome konnten zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen geschaltet werden. Diese legen die Basis für die Speicherung der digitalen Basiswerte Null und Eins. Zum Schalten nutzten Natterer und sein Team die atomar feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, durch die sie kurze Strompulse – bei einer Spannung von etwa 150 Millivolt – schickten. Das Auslesen des magnetischen Moments der Holmiumatome gelang über ein Eisenatom in der Nähe, das als Magnetsensor diente. Aber auch ohne dieses Sensoratom konnten die beiden magnetischen Zustände über Änderungen des elektrischen Widerstands in einem äußeren Magnetfeld bestimmt werden.

Trotz des geglückten Experiments ist der Weg zu einer Holmium-Festplatte mit einer Kapazität von Millionen Gigabyte noch sehr weit. Denn die Wissenschaftler führten ihre Versuche im Vakuum und bei tiefen Temperaturen von bis zu minus 272 Grad Celsius durch. Für Grundlagenforscher war auch die Speicherdauer von einigen Stunden ein Erfolg, für konkrete Anwendungen ist das ohne Zweifel viel zu kurz.

„Die genutzten Techniken zum Schreiben und Lesen der Daten sind nicht gerade nutzerfreundlich oder gar erschwinglich“, schreibt Roberta Sessoli von der Universität Florenz in einem begleitenden Kommentar. Dennoch zeigt sich die nicht an dieser Studie beteiligte Expertin für magnetische Systeme begeistert, dass Natterer und Kollegen die Machbarkeit eines Ein-Atom-Datenspeichers beweisen konnten. Auch Natterer will mit seinen Experimenten nicht unbedingt eine neuartige Festplatte entwickeln. „Magnete aus einzelnen Atomen können die Bausteine für völlig neue Experimente bilden“, sagt er. So können bisher unbekannte kollektive Effekte mit einer Art magnetischem Atomlego erforscht werden. Interessant wären Versuche, in denen diese kleinstmöglichen Magnete die Eigenschaften von Materie auf der atomaren Skala beeinflussen.

An die Grenze der maximal möglichen Speicherdichte tasten sich auch andere Forschergruppen heran. So bauten Physiker vor einem Jahr einen nichtmagnetischen Datenspeicher, der für jedes digitale Bit nur ein einziges Chloratom benötigte. Ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ließ er sich binnen weniger Minuten beschreiben und wieder auslesen.