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Wissen & Umwelt

Kleinster Datenspeicher der Welt

Hamburger Forscher haben einen ultra-kleinen Magnetspeicher gebaut. Ein Bit passt auf gerade einmal zwölf Atome - eine 100 Mal höhere Speicherdichte als auf einer modernen Festplatte.

Zwölf Atome, die ein Bit speichern (Foto: CFEL/S. Loth)

Diese zwölf Atome speichern ein Bit

Etwa alle zwei Jahre werden Datenspeicher kleiner und dichter. Das ist der Trend in der Computerindustrie. Wie weit diese Miniaturisierung getrieben werden kann, haben Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und des IT-Konzerns IBM getestet und dabei den kleinsten Speicher der Welt gebaut. Statt vorhandene Bauelemente immer weiter zu verkleinern, wählten die Forscher den umgekehrten Ansatz: "Beginnend mit dem Kleinsten, dem Atom, haben wir Datenspeicher Atom für Atom aufgebaut", erläutert Andreas Heinrich, Leiter des IBM-Labors in Almaden in Kalifornien.

Ein Bit auf zwölf Atomen

Gerade mal zwölf Atome - jeweils zwei Ketten aus sechs Atomen - braucht es, sagt Sebastian Loth, einer der "Erfinder", um ein Datenbit - also die kleinste Einheit in der Computertechnik - über einen langen Zeitraum zu speichern. Zum Vergleich: Eine moderne Festplatte benötigt dafür mehr als eine Million Atome.

Der neue Mini-Datenspeicher ist so winzig, dass er weder mit dem bloßen Auge, noch mit einem normalen Mikroskop sichtbar ist. Nur mit Hilfe eines Computers, der die Atome "erfühlt", könne der Speicher visualisiert werden. Das sieht dann so aus wie ein Höhenprofil, erklärt Loth. Der Experimentalphysiker arbeitete bis September 2011 für IBM. Das Unternehmen, sagt Loth, investiere ernorm viel in Grundlagenforschung. Man wisse hier, wie wichtig sie langfristig sei. Danach wechselte Loth ans CFEL (Center for Free-Electron Laser Science). Das Forschungszentrum ist eine Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons Desy, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg und arbeitet eng mit IBM zusammen.

Nano-Antiferromagnet (Foto: CFEL/S. Loth)

Nano-Antiferromagnet mit atomarer Präzision

Der Clou: Antiferromagnete statt Ferromagnete

Schon dort tüftelte Loth mit Kollegen an einem Mini-Speicher für Daten. Ende 2010 hatten sie die zündende Idee: Statt der üblichen Ferromagnete - Materialien, die wie ein Kühlschrankmagnet Eisen, Nickel oder Kobalt anziehen - versuchten sie es mit einem Antiferromagneten - also einem Material, das keine Kraft auf Eisen, Nickel oder Kobalt ausübt.

Denn die herkömmlichen Ferromagnete, die für Computerfestplatten genutzt werden, haben einen Nachteil: in ihnen weisen die magnetischen Achsen aller Atome in die gleiche Richtung. Dadurch entstehen Magnetfelder, die jedes Speicherelement umgeben und benachbarte Speicherelemente erheblich stören. Die Elemente können deswegen nur in bestimmten Abständen zueinander auf einen Speicherträger gebracht werden.

Ganz anders bei Antiferromagneten: Hier richten sich die Atome in alle möglichen Richtungen aus, es entsteht kein Magnetfeld und somit auch keine Störung. Speicherelemente können deswegen so dicht wie möglich auf kleinste Strukturen gepackt werden, erklärt Sebastian Loth und versichert: "Dieses neue Speicherprinzip hat das Potential, die Computertechnik zu revolutionieren."

Großer Schritt für die Forschung

Bislang sei das alles noch Grundlagenforschung, sagt Loth. Doch das Prinzip, Antiferromagneten für die Datenspeicherung zu verwenden, habe schon jetzt großen Anklang gefunden. Von jetzt an heißt es, die Forschungsergebnisse so anzupassen, dass die Mini-Speicher alltagstauglich werden. Denn der Zwölf-Atome-Speicher ist nur bei einer ultrakalten Temperatur von -268 Grad Celsius stabil. Sebastian Loth schätzt, dass zwischen 150 und 200 Atomen pro Bit notwendig sind, damit der Nanospeicher auch bei Raumtemperatur funktioniert.

"Ehe antiferromagnetische Datenpunkte tatsächlich zum Einsatz kommen, wird sicher noch einige Zeit vergehen", meint IBM-Sprecher Hans-Jürgen Rehm. Das Ergebnis sei dennoch ein großer Schritt für die Forschung. "Das ist, als wenn man eine neue Tür in den nächsten Raum geöffnet hat." Es sei zwar der allererste Schritt, aber es funktioniere.

Autorin: Judith Hartl
Redaktion: Andreas Sten-Ziemons

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