Zwölf Eisenatome als Träger der kleinsten digitalen Informationseinheit Kleinster magnetischer Datenspeicher der Welt konstruiert - scinexx | Das Wissensmagazin
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Zwölf Eisenatome als Träger der kleinsten digitalen Informationseinheit

Kleinster magnetischer Datenspeicher der Welt konstruiert

Rastertunnelmikroskop-Aufnahme des Nanospeichers aus zwölf Eisenatomen auf einer Kupfernitrid-Oberfläche, diese Anordnung kann die kleinste digitale Informationseinheit, ein Bit, speichern. © Sebastian Loth / CFEL

Forscher haben den kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt konstruiert. Er besteht aus nur zwölf Eisenatomen, die in zwei Reihen angeordnet sind. Der Atomblock lässt sich durch einen einzigen Stromstoß zwischen zwei Magnetzuständen umschalten. Diese entsprechen den digitalen Werten 0 und 1 und damit einem Bit, der kleinsten digitalen Informationseinheit. Durch Kombination mehrerer solcher Atomblöcke habe man auch die nächstgrößere Speichereinheit, ein Byte, erfolgreich erzeugt. „Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass schaltbare magnetische Nanospeicher Kandidaten für zukünftige Speicherelemente und elektronische Anwendungen sind“, konstatiert die internationale Forschergruppe im Fachmagazin „Science“.

Herkömmliche Festplatten benötigen heute mindestens eine halbe Milliarde Atome, um ein aus acht Bits bestehendes Byte zu speichern. Der neue Nanospeicher enthalte die gleiche Information dagegen in nur 96 Atomen und auf der winzigen Fläche von vier mal 16 Nanometern. „Das entspricht einer 100 Mal höheren Speicherdichte als auf einer modernen Festplatte“, sagt Erstautor Sebastian Loth vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg.

Noch sind die magnetischen Nanospeicher nur bei ultrakalten Temperaturen von -268 Grad Celsius stabil. Die Forscher gehen aber davon aus, dass eine Ansammlung von maximal 200 Atomen auch bei Raumtemperatur einen stabilen magnetischen Zustand bilden könnte. Dennoch werde sicher noch einige Zeit vergehen, bis atomare Magnete in der Speichertechnologie verwendet würden. „Unsere Arbeit greift der aktuellen Speichertechnologie weit voraus“, sagt Loth.

Aus acht atomaren Bits - und damit insgesamt 96 Eisenatomen - konstruierten die Forscher ein Byte; die in dieser Rastertunnelmikroskopischen Aufnahme gezeigte Anordnung der Atomspins (rot, blau) entspricht der gespeicherte Binär-Information 01010011 und damit dem Buchstaben 'S'. © Sebastian Loth / CFEL

Besondere Spin-Anordnung ermöglicht höhere Speicherdichte

Möglich wurde der Nanospeicher durch eine besondere Anordnung der Atome. Bei herkömmlichen Festplatten weisen die magnetischen Momente aller Atome eines Bits in die gleiche Richtung. Damit das magnetische Feld eines solchen Datenpunktes nicht seinen Nachbarn beeinflusst, muss ein Mindestabstand zwischen ihnen eingehalten werden.

Im Nanospeicher sind die Atome dagegen so platziert, dass die magnetische Momente benachbarter Atome in die jeweils entgegengesetzte Richtung zeigen. Diese Anordnung wird auch als Antiferromagnetismus bezeichnet. Sie ermögliche es, die einzelnen Speicherelemente viel dichter zu platzieren, sagen die Forscher.

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Um den atomaren Nanospeicher zu konstruieren, platzierten die Forscher einzelne Eisenatome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops auf einer Kupfernitrid-Oberfläche, wie hier in der Grafik zu sehen. © Sebastian Loth / CFEL

Um die Atome passgenau platzieren zu können, nutzten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop. Die ultradünne, unter Strom stehende Spitze dieses Mikroskops erlaubte es ihnen, einzelne Eisenatome gezielt auf einer Kupfernitrid-Oberfläche abzusetzen. Durch einen kurzen Stromstoß auf das erste Atom eines solchen Nanospeichers ließ sich anschließend die Ausrichtung aller in ihm enthaltener Atommagnete umkehren. Dies entspricht einem Umschalten von einer digitalen Null auf eine Eins und umgekehrt. (Science, 2012; doi:10.1126/science.1214131)

(Science / dapd, 13.01.2012 – NPO)

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