Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der kleinste Magnetspeicher der Welt

13.01.2012
Ein Datenbit lässt sich in einem Antiferromagneten aus zwölf Eisenatomen unterbringen – das könnte die Speicherdichte 100fach erhöhen

Der IT-Industrie könnten sich nun neue Möglichkeiten eröffnen. Wissenschaftler der IBM Forschungsabteilung im kalifornischen San Jose und einer Forschungsgruppe des Max-Planck Instituts für Festkörperforschung am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die Grundlage für einen neuartigen magnetischen Datenspeicher gelegt. Während herkömmliche magnetische Speicher den Ferromagnetismus nutzen, hat das Forscherteam nun erstmals einen antiferromagnetischen Datenspeicher entwickelt.


Ein atomarer Speicher. In gerade mal 12 Atomen bringen Forscher von IBM und der Max-Planck-Gesellschaft ein Datenbit unter. Die abwechselnde Blau und Weiß-Färbung verdeutlicht die antiferromagnetische Anordnung. © Sebastian Loth


Die Datenpunkte aus einem antiferromagnetischen Material lassen sich deutlich dichter nebeneinander anordnen als die derzeit gebräuchlichen ferromagnetischen Bits. Hier sind die acht Bits eines Bytes zu erkennen. Je nachdem, welche von zwei möglichen Antiferromagnetischen Anordnungen die magnetischen Momente eines Bits einnehmen, steht es für eine Null oder eine Eins. © Sebastian Loth

Der Antiferromagnetismus erschien bislang als ungeeignet, um Computern ein Gedächtnis zu geben. Mit seiner Hilfe haben die Wissenschaftler ein Datenbit nun aber in gerade einmal zwölf Atomen untergebracht und Information 100 Mal dichter gepackt, als dies in heute üblichen Festplatten möglich ist. Damit sind sie auch zu der Grenze vorgestoßen, ab der Quanteneffekte berücksichtigt werden müssen.

Heute übliche Festplatten sind unglaublich gut, aber sie sollen noch besser werden: 700 Milliarden Datenpunkte speichern sie auf kaum mehr als der Fläche einer Briefmarke. Doch die IT-Industrie möchte, wie in den vergangenen Jahrzehnten, die Speicherdichte auch künftig etwa alle zwei Jahre verdoppeln, damit sich große Datenmengen, wie sie zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik anfallen, künftig besser verarbeiten lassen. Das wird zunehmend schwierig, und zwar aus einem prinzipiellen Grund: Heutige Festplatten legen Datenbits in einem ferromagnetischen Material ab. Jeder Datenpunkt gleicht dabei einem winzigen Stabmagneten, der die Null oder Eins eines Bits in zwei verschiedenen Orientierungen seiner Pole speichert.

Damit das magnetische Feld eines Datenpunktes nicht seinen Nachbarn beeinflusst, brauchen die Speicherpunkte einen Mindestabstand zueinander. Der könnte dank der Entdeckung des Forscherteams um Andreas Heinrich, IBM, und Sebastian Loth, seit kurzem Mitarbeiter der Max-Planck-Gesellschaft, künftig deutlich schrumpfen. Den Wissenschaftlern gelang es, Daten in gerade einmal zwölf Atomen eines antiferromagnetischen Materials zu speichern. Auf Speichermedien mit solchen Datenpunkten ließe sich Information 100 Mal dichter packen als auf heutigen Festplatten. Damit würde sich die Speicherdichte ähnlich stark erhöhen wie seit Mitte der 1990er-Jahre, als der heimische PC noch nicht als Bild- oder Filmarchiv diente.

Zwei unterschiedliche antiferromagnetische Zustände in einem Atomensemble

Der Clou des neuartigen Speichermaterials liegt darin, dass die magnetischen Momente der einzelnen Atome, die sich ebenfalls als winzige Stabmagnete betrachten lassen, in einer antiferromagnetischen Anordnung abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen zeigen und nicht, wie im Ferromagneten, alle in dieselbe. Ein Antiferromagnet ist daher nach außen magnetisch neutral, so dass sich benachbarte Datenpunkte in diesem Zustand nicht spüren und beinahe beliebig dicht anordnen lassen.

„Wir haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, in kurzen Reihen von Eisenatomen zwei unterschiedliche antiferromagnetische Zustände zu erzeugen, einen für die Null und einen für die Eins“, sagt Sebastian Loth. Er und seine Kollegen können nun bewusst beeinflussen, ob die antiferromagnetische Kette abwechselnd orientierter Stabmagnete mit einem Nordpol oder einem Südpol startet. Beim Sprung von einem in den anderen Zustand kehrt sich dementsprechend die Orientierung aller Stabmagnete in der Kette um. Gewöhnlich bilden die beiden Ausrichtungen einen quantenmechanischen Mischzustand, einen sogenannten Superpositionszustand, in dem sich das Atomensemble erst im Moment einer Messung zufällig für eine der beiden Anordnungen entscheidet.

Sauber voneinander trennen können die Forscher die beiden Zustände, weil sie die Eisenatome auf einer Kupfernitrid-Oberfläche platzieren. Diese stabilisiert in Eisenketten die als Néel-Zustand bekannte abwechselnde Anordnung der magnetischen Momente und unterbindet die Ausbildung des Mischzustandes. Der Wirkung des Kupfernitrids und dem sorgfältig gewählten Abstand zwischen den Eisenatomen verdanken die Forscher auch, dass sie Antiferromagnete ausgerechnet aus dem Element erzeugen konnten, das den Ferromagneten ihren Namen gegeben hat.

Die Nanostrukturen erfüllen alle Anforderungen an Datenspeicher

Möglich war das nur, weil wir die Atome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops sehr präzise auf der Oberfläche positionieren können“, erklärt Sebastian Loth. Die Forscher haben die Nanostrukturen also Atom für Atom aufgebaut. Diese weltweit nur von wenigen Laboren beherrschte Präzision ermöglichte es den Wissenschaftlern, zahlreiche atomare Anordnungen zu untersuchen. Dabei stellten sie fest, dass sich zwei benachbarte Reihen von jeweils sechs Atomen am besten als Speicherpunkt für ein Bit eignen.

„Unsere Nanostrukturen erfüllen alle Bedingungen an ein Speichermaterial“, sagt Andreas Heinrich, der Leiter des IBM-Labors. Sie können zwei Zustände für Null und Eins einnehmen, sie lassen sich dicht packen, auslesen und schalten. „Ehe antiferromagnetische Datenpunkte tatsächlich zum Einsatz kommen, wird aber sicher noch einige Zeit vergehen“, so Andreas Heinrich. Derzeit bleibt die magnetische Orientierung der Eisenketten nur bei Temperaturen von minus 268 Grad Celsius stabil, darüber ändert sie sich ständig. Je stärker die Atome miteinander magnetisch verbunden werden, desto weniger kann Wärme die Anordnung stören – die magnetischen Momente stabilisieren sich gegenseitig, und je mehr es sind, desto besser. „Wir gehen davon aus, dass weniger als 200 Atome bei Raumtemperatur einen stabilen antiferromagnetischen Zustand bilden können“, sagt Andreas Heinrich. Momentan benötigen Festplatten den Platz von ungefähr einer Million Atomen, um dies zu erreichen.

Um die magnetischen Momente in einer antiferromagnetischen Eiseninsel gezielt umzuklappen und so einen Datenpunkt etwa von der Null auf die Eins zu schalten, bedienen sich die Forscher ebenfalls der Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Diese setzen sie auf ein Atom am Ende einer Zweierreihe und schicken einen Stromstoß hindurch. Dann dreht sich das magnetische Moment dieses Atoms um und zieht in weniger als 20 Nanosekunden alle anderen Atome nach sich.

Was geschieht jenseits der Grenze, an der Quanteneffekte auftreten?
Stromstöße mit geringer Spannung lassen die magnetische Orientierung unverändert, ermöglichen es den Wissenschaftlern aber, den Zustand der Atominsel zu bestimmen. Die Spitze ist nämlich so präpariert, dass sie selbst ein magnetisches Moment trägt. Wie viel Strom zwischen der Spitze und dem Eisenatom eines Speicherpunktes fließt hängt davon ab, ob ihre magnetischen Momente gleich oder entgegengesetzt orientiert sind.

Nanostrukturen aus weniger als zwölf Atomen erwiesen sich auch bei tiefer Temperatur als zu unstabil für die Datenspeicherung. Denn durch das sogenannte Quantentunneln springen sie unwillkürlich von einem in den anderen Zustand.

„Für klassische Datenspeicher stellen Quanteneffekte eine fundamentale Barriere dar, aber es könnte möglich sein, sie in Zukunft nutzbar zu machen“, sagt Sebastian Loth, der seit kurzem die Max-Planck-Forschungsgruppe Dynamik nanoelektrischer Systeme am Hamburger CFEL und dem Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung leitet. In Hamburg konstruiert er ein neuartiges Rastertunnelmikroskop für ultra-schnelle Messungen an einzelnen Atomen. Mit diesem Mikroskop wird er sich auch der Frage widmen, was jenseits der Grenze geschieht, an der Quanteneffekte auftreten. „Wir können die Quanteneffekte durch Form und Größe der Eisenreihen jetzt gezielt beeinflussen. Das erlaubt es uns zu untersuchen, wie die Quantenmechanik einsetzt“, erklärt Loth. „Was unterscheidet einen Quantenmagneten von einem klassischen Magneten? Und wie verhält sich ein Magnet genau an der Grenze zwischen beiden Welten? Das sind spannende Fragen, die jetzt beantwortbar werden.“

Ansprechpartner
Dr. Sebastian Loth
Max-Planck-Forschungsgruppe Dynamik nanoelektrischer Systeme am CFEL, Hamburg
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
Telefon: +49 40 8998-6273
Fax: +49 40 8998-1958
E-Mail: sebastian.loth@mpsd.cfel.de
Originalveröffentlichung
Sebastian Loth, Susanne Baumann, Christopher P. Lutz, D. M. Eigler, Andreas J. Heinrich
Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets
Science, 13. Januar 2012; doi: 10.1126/science.1214131

Dr. Sebastian Loth | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4772805/Magnetspeicher_antiferromagnetisch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Massereiche Sternembryos wachsen in Schüben
14.07.2020 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht Komet C/2020 F3 (NEOWISE) mit bloßem Auge am Abendhimmel sichtbar
13.07.2020 | Max-Planck-Institut für Astronomie

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: Hammer-on – wie man Atome schneller schwingen lässt

Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungsverschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechselwirkungen zurück auf die Schwingungen.

Hammer-on ist eine von vielen Rockmusikern benutzte Technik, um mit der Gitarre schnelle Tonfolgen zu spielen und zu verbinden. Dabei wird eine schwingende...

Im Focus: Kryoelektronenmikroskopie: Hochauflösende Bilder mit günstiger Technik

Mit einem Standard-Kryoelektronenmikroskop erzielen Biochemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) erstaunlich gute Aufnahmen, die mit denen weit teurerer Geräte mithalten können. Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines Eisenspeicherproteins fast bis auf Atomebene aufzuklären. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "PLOS One" veröffentlicht.

Kryoelektronenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren entscheidend an Bedeutung gewonnen, besonders um die Struktur von Proteinen aufzuklären. Die Entwickler...

Im Focus: Electron cryo-microscopy: Using inexpensive technology to produce high-resolution images

Biochemists at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have used a standard electron cryo-microscope to achieve surprisingly good images that are on par with those taken by far more sophisticated equipment. They have succeeded in determining the structure of ferritin almost at the atomic level. Their results were published in the journal "PLOS ONE".

Electron cryo-microscopy has become increasingly important in recent years, especially in shedding light on protein structures. The developers of the new...

Im Focus: Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn man elektronische Bauteile immer kleiner machen will, braucht man dafür auch die passenden Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte...

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wind trägt Mikroplastik in die Arktis

14.07.2020 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Nanoelektronik lernt wie das Gehirn

14.07.2020 | Informationstechnologie

Anwendungslabor Industrie 4.0 der THD: Smarte Lösungen für die Unikatproduktion

14.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics