Ein Superspeicher aus winzigen Magnetknoten

Daten auf Computer-Festplatten werden immer dichter gepackt. Hamburger Forscher haben ein Vorgehen entwickelt, das die Speicherkapazität um das Hundertfache vergrössern könnte.

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Niklas Romming sitzt vor dem Kontrolldeck seines Labors, alle vier Bildschirme im Blick. Dann ein Mausklick, und aus einem Lautsprecher tönt ein rhythmisches Knarzen: Der Hamburger Physiker hat die extrem feine Spitze seines Nano-mikroskops in Gang gesetzt. Ähnlich wie die Nadel eines Plattenspielers fährt sie holpernd über eine besondere Materialprobe – ein Stück Iridiummetall, beschichtet mit zwei unvorstellbar dünnen Schichten aus Eisen und Palladium.

Per Mausklick stoppt Romming die Nanospitze, er hat eine geeignete Stelle auf der Probe gefunden. «Jetzt schicke ich einen kurzen Strompuls durch die Spitze», sagt er. Einige Minuten später, nach einer kurzen Kontrollmessung, ist klar: Das Experiment ist geglückt. Mithilfe des Strompulses hat der Forscher ein «Skyrmion» in das Palladium-Eisen-Sandwich geprägt. Entstanden ist eine Art magnetischer Nanoknoten. Für die künftige Speichertechnik könnte das schlichte Laborexperiment hochinteressant sein: Zwar fassen moderne Computerfestplatten heute bis zu acht Terabyte. Doch ein Massenspeicher, basierend auf Skyrmionen-Technik, könnte eines Tages das Zehn- oder sogar das Hundertfache an Daten bewältigen, so viel, wie auf 100 000 DVDs passt.

Eine einzige Lage Atome

Die Festplattenhersteller stehen vor einem Problem: Ihre Technik stösst allmählich an ihre Grenzen. Denn um mehr Speicherkapazität auf gleichem Raum zu erreichen, müssen die Daten immer dichter gepackt werden. Das hat zur Folge, dass die einzelnen Magnetbits auf der Platte immer enger zusammenrücken. Das Problem dabei: Je dichter sich die Magnetbits auf der Pelle hocken, umso grösser ist die Gefahr, dass sie sich gegenseitig stören und im Extremfall sogar löschen. Dieser Grenze scheinen sich die derzeitigen Magnetmaterialien nun zu nähern.

Deshalb tüfteln Physiker an Alternativen, die langfristig deutlich mehr Speicherpotenzial versprechen. Ein neuer Ansatz ist das heute im Fachmagazin «Science» vorgestellte Experiment von Niklas Romming und seinem Team. Den Experten vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg ist es erstmals gelungen, winzige magnetische Knoten gezielt in ein Material zu schreiben und wieder auszulesen. Ähnlich wie der Knoten im Taschentuch sind diese Skyrmionen überaus stabil, lassen sich also nicht leicht beeinflussen oder gar löschen. Ausserdem sind sie mit einem Durchmesser von einigen wenigen Nanometern (Milliardstelmeter) deutlich kleiner als die Magnetbits auf den heutigen Festplatten, die etwa 50 Nanometer messen. Das würde – zumindest im Prinzip – eine bis zu 100-fache Speicherdichte ermöglichen.

Voraussetzung für das Experiment war ein spezielles Material. Die Physiker schafften es, auf ein Stück Iridium erst eine Schicht Eisen und dann eine Schicht Palladium aufzubringen. Der Clou: «Sowohl die Eisen- als auch die Palladium-schicht bestehen aus einer einzigen Lage von Atomen», erläutert Romming. «Dünner kann man eine Schicht nicht machen.»

Dieses ultradünne Sandwich setzten die Forscher einem Magnetfeld aus. Speziell das Eisen reagierte auf das Feld: Wie winzige Kompassnadeln richteten sich alle Atome in Reih und Glied nach oben aus. Damit war das Feld zum gezielten Schreiben von Skyrmionen bereitet. Das geschah mit dem speziellen Nanomikroskop, Rastertunnelmikroskop genannt. Das Prinzip: Hochpräzise Motoren fahren eine feine Spitze extrem dicht über die Oberfläche einer Materialprobe. Dabei fliesst zwischen Spitze und Probe ein schwacher Strom. Mit seiner Hilfe lassen sich Bilder aus dem Nanokosmos aufzeichnen, auf denen sogar einzelne Atome zu erkennen sind.

Das Besondere an der Hamburger Apparatur: «Die feine Spitze des Mikroskops ist magnetisch», erklärt Projektleiterin Kirsten von Bergmann. «Damit können wir winzige Magnetfelder auf der Probe erfassen, aber auch beeinflussen.» Letzteres nutzten die Wissenschaftler, um die Skyrmionen in die Eisen-Palladium-Schicht zu knoten: Mit einem gezielten Stromstoss in die Mikroskopspitze konnten sie die atomaren Kompassnadeln so verwirbeln, dass ein stabiles Skyrmion entstand. «Bislang können wir vier benachbarte Skyrmionen unabhängig voneinander schalten», sagt Romming. «Das ist natürlich noch keine hohe Speicherkapazität. Aber es ist ein Anfang.»

Auf minus 269 Grad gekühlt

Bevor man jedoch an den Einsatz in Festplatten denken kann, sind diverse Herausforderungen zu meistern. So funktioniert das Schreiben und Lesen der Magnetknoten bislang nur bei Temperaturen um minus 269 Grad Celsius, mithilfe einer aufwendigen Heliumkühlung. «Deshalb suchen wir jetzt nach Materialien, bei denen der Prozess auch bei Raumtemperatur funktioniert», sagt Kirsten von Bergmann. Unter anderem will ihr Team mit Materialsandwiches experimentieren, die nicht nur aus zwei, sondern aus drei oder mehr hauchdünnen Schichten bestehen.

Ein weiteres Problem: Das Schreiben der Skyrmionen funktioniert noch nicht so zuverlässig wie gewünscht. Bislang klappt längst nicht jeder Schreibversuch. Deshalb müssen die Physiker die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen noch eingehend studieren und besser verstehen. Und auch an der Grösse der magnetischen Knoten wollen die Wissenschaftler noch drehen: «Unsere Skyrmionen sind fünf Nanometer gross und bestehen aus etwa 300 Atomen», erläutert von Bergmann. Aber man könne sie mit Sicherheit noch kleiner machen. Denkbar sind magnetische Knötchen aus 15 Atomen mit einem Durchmesser von nur einem Nanometer. Mit ihnen liesse sich die Speicherdichte – zumindest theoretisch – nochmals erhöhen. Auch für das schnelle Schreiben und Lesen der Daten gibt es schon eine Idee: Statt eines beweglichen Lesekopfs wie in den heutigen Festplatten wäre der Datensensor vermutlich starr, und das Speichermedium würde an ihm vorbeigeschoben werden wie das Band am Tonkopf einer guten alten Revox-Maschine.

Erstellt: 10.08.2013, 18:24 Uhr

Skyrmionen - winzige magnetische Wirbel (Vordergrund) lassen sich mit einer Mikroskopspitze (hinten rechts) gezielt erzeugen und wieder löschen.
(Bild: Arbeitsgruppe R. Wiesendanger, Universität Hamburg)

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