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Miniaturisierung von Datenspeichern hat Grenzen

Ein Bit – ein Atom

Lesekopf einer Festplatte © A Magill / CC_by-sa 2.0 us

Ein anderer theoretischer Physiker des Hallenser Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik geht noch weiter als selbst Feynman zu träumen wagte. Nach den Berechnungen von Valeri Stepanyuk ist es möglich, ein Bit sogar in ein einzelnes Atom zu schreiben. „Dichter kann man Information nicht packen, das Atom ist die fundamentale Grenze für die Miniaturisierung von Datenspeichern“, sagt Stepanyuk. Als Informationsspeicher würde das magnetische Moment des Atoms dienen. Je nachdem, ob diese winzige Kompassnadel nach oben oder nach unten gerichtet wäre, entspräche das der Null oder der Eins eines Bits.

Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen soll zwar wie bei Ingrid Mertig und Arthur Ernst mit einem Rastertunnelmikroskop erfolgen. Und auch hier entscheidet der Abstand zwischen Atomen über die Orientierung der Kompassnadel. Aber in Stepanyuks Fall geht es nur um zwei Atome: ein Adatom genanntes Atom, das einzeln auf einer Metallunterlage liegt und das Bit speichern soll, und das Atom, in dem die Mikroskopspitze ausläuft.

Speicher müssen viele Daten flott verarbeiten

Wie die Berechnungen von Valeri Stepanyuk zeigen, richten sich die Momente des Atoms in der Spitze und des Adatoms parallel aus, wenn beide relativ weit voneinander entfernt sind. Nähert sich die Spitze dem Adatom, kippt dessen Moment um 180 Grad, sodass sich die Momente antiparallel orientieren. Diesem Schaltmechanismus liegt wie der magneto-elektrischen Kopplung, die Ingrid Mertigs Team ausnutzt, die quantenmechanische Austauschwechselwirkung zugrunde, allerdings in einer indirekten Form.

„Da wir kein elektrisches Feld benötigen, ist der Schaltprozess sehr energiesparend“, sagt Stepanyuk. Die Computersimulationen seines Teams zeigen außerdem, dass sich für einen solchen Einzelatomspeicher unterschiedliche Materialien eignen. Als Spitze wählten die Forscher Chrom und als Adatome Mangan, Eisen und Kobalt.

Atombit ist stabil

„Die Rechenmodelle lassen sich auch an andere Materialien anpassen“, so Stepanyuk. Die Stabilität des Atombits ist nach seinen Berechnungen zudem recht groß. Und schließlich lasse sich das Bit auch auslesen. Denn der elektrische Widerstand zwischen Spitze und Adatom unterscheide sich messbar, je nachdem, ob die magnetischen Momente parallel oder antiparallel ausgerichtet sind.

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Bislang stellt diese Technik nur eine theoretische Möglichkeit dar. Derzeit werde aber ein Experiment vorbereitet, um die Berechnungen zu überprüfen, betont Stepanyuk.

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Christian Meier / MaxPlanckForschung
Stand: 19.10.2011

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Nanospeicher bringen Computer groß raus
Wissenschaftler erforschen magnetische Nanostrukturen

Feynmans Vision…
…könnte bald Wirklichkeit werden

Ein feiner Schreibstift für magnetische Nanospeicher
Mehr als nur Grundlagenforschung

Ein Bit - ein Atom
Miniaturisierung von Datenspeichern hat Grenzen

Schnelles Speichern und schneller Zugriff
Kleinheit ist nicht alles

Ein paar Nanosekunden sind zu viel
Die Suche nach noch schnelleren Schaltprozessen

Neue Phänomene als Basis unvorhersehbarer Technik
Bessere Logikbauelemente und nichtflüchtige Arbeitsspeicher

Magnetische Wirkung ohne Kraft
Quantenmechanische Austauschwechselwirkung

Vortexkern, Röntgenmikroskop, magnetoelektrische Kopplung
Ein Glossar

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