Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Batman zeigt den Weg zu kompakter Datenspeicherung

12.01.2015

Forschenden am Paul Scherrer Institut PSI ist es gelungen, winzige magnetische Strukturen mit Laserlicht umzuschalten und die Veränderung zeitlich zu verfolgen. Dabei blinkte kurz ein nanometergrosser Bereich auf, der skurrilerweise an das Fledermaus-Symbol von Batman erinnert. Die Forschungsergebnisse könnten die Datenspeicherung auf Festplatten kompakter, schneller und effizienter machen.

Computerfestplatten speichern Daten magnetisch. Um zukünftig grössere Datenmengen auf kleinere Festplatten zu bannen, versuchen Forscher und Entwickler, die tatsächliche Grösse der magnetischen Bits und Bytes immer kleiner zu gestalten. Forschende am Paul Scherrer Institut PSI setzen hierfür auf die Kombination aus einer mikro-strukturierten Oberfläche und einem Laserstrahl.


Forschende am PSI erblickten auf einem fünf mal fünf Mikrometer kleinen Quadrat eine kuriose magnetische Substruktur schwarz auf weiss, die an die stilisierte Fledermaus des Batman-Logos erinnert.

Die Oberfläche besteht aus einer regelmässigen Anordnung winziger Quadrate aus einem magnetischen Material. In den verschiedenen Versuchen der Forschenden hatten diese Quadrate eine Kantenlänge zwischen einem und fünf tausendstel Millimeter. Jedes Quadrat oder sogar ein Teilbereich desselben ist für sich ein winziger Magnet und könnte so eines Tages ein Speicher-Bit sein.

Mikromagnete mit Licht umgedreht

Der zweite Teil des unkonventionellen Ansatzes ist, dass die PSI-Wissenschaftler die magnetische Richtung der Quadrate mit einem Laserstrahl gezielt umdrehen können. In heutigen Festplatten erfolgt die magnetische Schaltung und damit die Datenspeicherung mit einem kleinen Magnetkopf, der ähnlich wie die Nadel einer Schallplatte über die Festplatte fährt.

Die Forschenden am PSI arbeiten in diesem Projekt mit Kollegen aus den Niederlanden, Deutschland und Japan zusammen. Bereits vor zwei Jahren konnte die internationale Forschungsgruppe zeigen, dass ein kurzer, intensiver Laserpuls Mikro-Magnete mehrere hundert Mal schneller schalten kann als ein Magnetkopf. Der Laser ist dabei auch noch energieärmer und damit kostengünstiger. Der Clou ist offenbar, dass das Laserlicht die winzigen Magnete sehr schnell aufheizt und sie dadurch in den jeweils anderen Zustand überführen kann. „Die magnetische Schaltung mit Licht funktioniert eindeutig. Aber warum genau sie funktioniert, das ist in der Forschergemeinde noch umstritten“, erklärt Frithjof Nolting, Forscher am PSI und Leiter der Studie.

Schnappschüsse des Umklappens

Für ein besseres Verständnis dieses magnetischen Umklappvorgangs entwickelten die Forschenden nun eine zeitaufgelöste Messung, mit der sie die extrem schnellen Änderungen Schritt für Schritt betrachten können. Dafür nutzten sie die Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Den Forschenden gelang eine Reihe von Momentaufnahmen, die zeitlich nur 70 billionstel Sekunden auseinanderliegen. Ihre Bildrate pro Sekunde ist damit beinahe 600 Millionen Mal so hoch wie diejenige von Kinofilmen.

In ihrer Aufnahmereihe konnten die Wissenschaftler beobachten, wie die Richtung der Magnetisierung wechselt, das heisst, wie sich die winzigen Magnete umdrehen. Zunächst zeigt ihr Nordpol „nach oben“ und der Südpol „nach unten“, am Ende ist es andersherum.

Eine Substruktur aus der Comic-Welt

Ihre verblüffende Beobachtung: Obwohl die magnetischen Quadrate so klein sind, dass der verwendete Laserpuls viele Quadrate gleichzeitig bestrahlt, drehte sich die Magnetisierung nicht flächendeckend um. Stattdessen bildeten sich innerhalb der beleuchteten Quadrate Substrukturen aus. Die Bildgebung der Forschenden zeigte dabei die eine Magnetisierungsrichtung schwarz, die andere weiss. Als die Forschenden Quadrate mit einer Kantenlänge von fünf Mikrometern, also fünf Tausendsteln eines Millimeters, betrachteten, sahen sie eine besonders skurrile magnetische Substruktur: Plötzlich erschien schwarz auf weissem Grund ein winziges Batman-Logo.

Die Forschenden sehen hierin jedoch weder eine geheime Comic-Botschaft noch ein Problem, sondern eine Chance. Sie erklären die Batman-Figur durch die Effekte von Brechung und Interferenz des Laserlichts – kurz: der Wechselwirkung des Lichts mit den Mikro-Quadraten. In einzelnen Bereichen der Quadrate wurde dadurch mehr Laserlicht absorbiert als in anderen. Nur dort fand deshalb die magnetische Schaltung statt. „Wir haben da eine faszinierende Wechselwirkung entdeckt“, fasst Nolting zusammen.

Die Festplatte der Zukunft: kleiner und schneller

Durch anders geformte Magnete liessen sich demnach auch andere Figuren als das Batman-Logo erzeugen. Damit wiederum liesse sich nicht nur jeder Kleinstmagnet, sondern sogar nur ein 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 Loïc Le Guyader, der ebenfalls an den PSI-Experimenten beteiligt war. Inzwischen arbeitet er am Helmholtz-Zentrum Berlin.

Doch nicht nur in der winzigen Grösse der Substrukturen, auch in der Geschwindigkeit des magnetischen Schaltungsprozesses haben die Forschenden beachtliche Werte gemessen: Dank der Licht-Schaltung läuft dieser Prozess enorm schnell ab und ist in weniger als 100 billionstel Sekunden abgeschlossen.

Kleiner und schneller – dazu gehören eine geringe Grösse der Speicherbits und eine hohe magnetische Schaltgeschwindigkeit –, das sind die beiden Merkmale, die in der Festplattenindustrie zählen. Die Forschenden am PSI könnten den Ingenieuren einen Weg für zukünftige Entwicklungen aufgezeigt haben.

Beteiligte Institutionen und Förderung

An dem Projekt waren Forschende folgender Institutionen beteiligt: Paul Scherrer Institut, Schweiz; Radboud Universität Nijmegen, Institut für Moleküle und Materialien, Niederlande; Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Deutschland; Fakultät für Wissenschaft und Technologie, Nihon-Universität, Japan.
Die Arbeit wurde zum Teil unterstützt von: 7. EU-Rahmenprogramm (UltraMagnetron, Femtospin, Fantomas, Femtomagnetism), niederländische Forschungsförderung (NWO, FOM, STW) und japanische Forschungsförderung (MEXT).

Text: Laura Hennemann


Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Kontakt/Ansprechpartner

Prof. Dr. Frithjof Nolting,
Labor für Synchrotron-Strahlung – Physik der kondensierten Materie, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz; Telefon: +41 56 310 – 5111, E-Mail: frithjof.nolting@psi.ch

Dr. Loïc Le Guyader,
Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 14109 Berlin,
Deutschland
Telefon: +49 30 8062 – 14774 E-Mail: loic.le_guyader@helmholtz-berlin.de

Originalveröffentlichung

Nanoscale sub-100 picosecond all-optical magnetization switching in GdFeCo microstructures
L. Le Guyader, M. Savoini, S. El Moussaoui, M. Buzzi, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, T. Rasing, A.V. Kimel and F. Nolting
Nature Communications, 12 January 2014, doi: 10.1038/ncomms6839 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms6839

Weitere Informationen:

http://psi.ch/EzZZ - Darstellung der Mitteilung auf der PSI-Webseite mit weiteren Abbildungen.

Laura Hennemann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie