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 Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie