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Freitag, 09.12.2016
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Kompakte Datenspeicher dank Batman-Symbol

Laserpuls ermöglicht schnellere und effizientere Schaltung von magnetischen Speichern

Nano-Fledermaus auf der Festplatte: Magnetische Speicherbits auf Festplatten lassen sich per auch Laserlicht umschalten. Wie das genau funktioniert, haben Physiker nun untersucht – mit einem verblüffenden Ergebnis. Denn beim Schalten entstehen Strukturen, die an das Fledermaus-Symbol des Comic-Helden Batman erinnern. Diese Substrukturen könnten Magnetspeicher künftig noch kompakter, schneller und effizienter machen, berichten die Wissenschaftler im Journal "Nature Communications".
Schwarzer Körper, ausgebreitete Flügel: Das Abbild der Magnetisierungsrichtung auf einem fünf Mikrometer kleinen Quadrat erinnerte die Forscher an das Fledermaus-Symbold der Comicfigur Batman.

Schwarzer Körper, ausgebreitete Flügel: Das Abbild der Magnetisierungsrichtung auf einem fünf Mikrometer kleinen Quadrat erinnerte die Forscher an das Fledermaus-Symbold der Comicfigur Batman.

Computerfestplatten speichern Daten magnetisch. Damit immer größere Datenmengen auf immer kleinere Festplatten passen, entwickeln Forscher immer kleinere und schnellere magnetische Speichereinheiten. Der magnetische Zustand dieser Bits repräsentiert entweder eine Null oder eine Eins. Um ein Bit zu überschreiben, muss dieser Zustand umgeschaltet werden.

Wissenschaftler um Frithjof Nolting vom schweizerischen Paul Scherrer Institut (PSI) haben ein neues Konzept für eine solche Miniaturisierung entwickelt: Sie setzen auf eine mikrostrukturierte Oberfläche und einen Laserstrahl. Auf der Oberfläche sind winzige Quadrate aus einem magnetischen Material regelmäßig angeordnet. Bislang experimentierten die Forscher mit Kantenlängen der Quadrate von einem bis fünf Mikrometern.

Umschalten mit Laserpuls


Um diese miniaturisierten Magnete allein reichen jedoch noch nicht aus, sie müssen auch von einem Zustand in den anderen geschaltet werden können. Statt des Magnetkopfes in konventionellen Festplatten verwenden Nolting und seine Kollegen dazu einen Laserstrahl: Bereits vor zwei Jahren hatten die Forscher erkannt, das ein kurzer aber intensiver Laserpuls die Mikromagnete mehrere hundert Mal schneller und außerdem energieeffizienter umschalten kann als ein Magnetkopf.


Allerdings ist die genaue Funktionsweise noch nicht geklärt: "Die magnetische Schaltung mit Licht funktioniert eindeutig. Aber warum genau sie funktioniert, das ist in der Forschergemeinde noch umstritten", erklärt Studienleiter Nolting. Offenbar heizt das Laserlicht die winzigen Magnete sehr schnell auf und überführt sie dadurch in den jeweils anderen Zustand.

Magnetisierung bildet Fledermaus-Logo


Um dieses magnetische Umklappen besser zu verstehen, zeichneten die Forscher den Vorgang mit Hilfe von Röntgenstrahlung gewissermaßen in einem Film auf. Die einzelnen Bilder dieses Films liegen nur 70 Billionstel einer Sekunde auseinander, das ist beinahe eine 600 Millionen Mal so hohe Bildrate wie die eines Kinofilms. Diese Momentaufnahmen zeigten den Wissenschaftlern, wie sich die winzigen Magnete umpolen.

Vergleich von Experiment und Modell: Die Wechselwirkungen, die das Batman-Symbol erzeugen, lassen sich auch theoretisch nachvollziehen.

Vergleich von Experiment und Modell: Die Wechselwirkungen, die das Batman-Symbol erzeugen, lassen sich auch theoretisch nachvollziehen.

Ihre verblüffende Beobachtung: Die Magnetisierung dreht sich nicht flächendeckend um, obwohl der Laserpuls viele der Quadrate gleichzeitig bestrahlt. Stattdessen bilden sich Substrukturen innerhalb der beleuchteten Quadrate, die sich auch bildlich darstellen lassen. Eine Magnetisierungsrichtung erscheint dabei schwarz, die andere weiß. Ein besonders skurriles Bild liefern die Fünf-Mikrometer Quadrate: Es erinnert an eine Fledermaus mit ausgebreiteten Flügeln – das Symbol des Comic-Helden Batman.

Noch mehr Daten auf noch kleinere Festplatten


Die Forscher sehen hierin jedoch weder eine geheime Comic-Botschaft noch ein Problem. Sie erklären die Batman-Figur durch Wechselwirkungen des Lichts mit den Mikroquadraten, genauergesagt der Brechung und Interferenz. Einzelne Bereiche der Quadrate absorbieren dadurch mehr Laserlicht als andere, und nur dort fand dann die magnetische Schaltung statt. "Wir haben da eine faszinierende Wechselwirkung entdeckt", fasst Nolting zusammen.

Dies bietet eine Chance zu weiterer Miniaturisierung: Durch anders geformte Magnete ließen sich den Forschern zufolge auch andere Figuren als das Batman-Logo erzeugen. Damit wiederum könnte man nicht nur jeden einzelnen Kleinstmagnet, sondern sogar nur einen Teil davon als einzelnes, beschreibbares Computer-Bit verwenden. "Dies könnte der Weg sein, um eines Tages noch mehr Daten auf noch kleinere Festplatten zu speichern", sagt Erstautor Loïc Le Guyader vom Helmholtz-Zentrum Berlin. (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038/ncomms6839)
(Paul Scherrer Institut (PSI), 13.01.2015 - AKR)
 
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