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News: Datenspeicherung mit der Nano-Harke

Forscher haben eine Anordnung mikroskopisch kleiner Raster-Tunnelmikroskope aus der Oberfläche eines gewöhnlichen Silizium-Chips geätzt. Anordnungen dieser Art könnten das Abtasten von Oberflächen bis hinab auf die atomare Ebene ungemein beschleunigen und zur Speicherung gewaltiger Datenmengen eingesetzt werden.
Forscher haben das Raster-Tunnelmikroskop RTM (scanning tunneling microscope) schon lange eingesetzt, um so präzise Bilder von Oberflächen herzustellen, daß einzelne Atome als Unebenheiten erkennbar sind. Mit dem Gerät können zudem winzige Strukturen gebaut werden, indem ein oder mehrere Atome gleichzeitig bewegt werden.

Die Arbeit mit einzelnen Atomen ist jedoch ein äußerst langsamer Prozeß, insbesondere für kommerzielle Anwendungen. Die Arbeit ließe sich durch Verwendung mehrerer winziger Tunnelmikroskope beschleunigen. Dabei müßte jedes einzelne RTM nur eine sehr kleine Fläche abtasten.

Jetzt haben Scott A. Miller und Kimberly L. Turner von der Cornell University solch eine Anordnung mikroskopischer RTM-"Nano-Sonden", die aus der Oberfläche eines gewöhnlichen Silizium-Chips hergestellt wurden, getestet (Review of Scientific Instruments vom November 1997). Kommerzielle Anwendungen der neuen Technik liegen noch in ferner Zukunft, sagt Miller, "aber einige Teile passen bereits zusammen."

Ein Raster-Tunnelmikroskop besteht aus einer winzigen Nadel, die einen Nanometer (ein Milliardstel Meter, das entspricht dem Durchmesser weniger Atome) über einer elektrisch leitenden Oberfläche aufgehängt ist. Liegt eine Spannung zwischen der geerdeten Oberfläche und der Nadel, dann fließt ein winziger Strom zwischen beiden. Wird die Nadel über die Oberfläche bewegt, paßt eine Regelelektronik ihre vertikale Stellung ständig an, so daß der Strom konstant bleibt. Die Schwankungen in der Höhe der Nadel werden in einen Computer eingespeist und benutzt, um ein Bild der Oberfläche zu erzeugen.

In der neuen Nano-Sonden-Anordnung sind die Nadeln und die Bauteile, die sie auf- und abbewegen, winzige "Nanomaschinen", die aus der Oberfläche eines Silizium-Chips hergestellt wurden. Jede Nadel wird auf einem Ende eines freitragenden Arms montiert, der ungefähr 150 Mikrometer lang ist – dies entspricht etwa der Dicke von zwei bis drei menschlichen Haaren. Der Arm ist in der Mitte installiert, so daß er nach oben bzw. unten geneigt werden kann, um so den Abstand zwischen Nadel und der abzutastenden Oberfläche einzustellen. Das geschieht durch elektrischen Strom, der eine Reihe von stationären Plättchen durchfließt und andere Plättchen, die mit dem Arm verbunden sind, bewegt.

Der größte Prototyp, den die Forscher gebaut haben, umfaßte 144 Sonden, die sich zu zwölft nebeneinander in zwölf Reihen befanden. Der Abstand zwischen zwei Mini-RTM betrug etwa 200 Mikrometer. Das Ganze wurde im Experiment 20 Mikrometer in Längs- und die gleiche Strecke in Querrichtung bewegt. Um die volle Fläche abzutasten, hätte jede Nadel eine Fläche mit 200 Mikrometern Kantenlänge durchlaufen müssen. Miller gibt an, das sei in zukünftigen Versuchen geplant. Außerdem soll die Dichte der RTM noch erhöht werden.

Die wahrscheinlichste Anwendung in der näheren Zukunft wird ein Datenspeicherungssystem sein, das mehr Informationen pro Quadratzentimeter aufnehmen könnte, als moderne Computer auf einer ganzen Festplatte. Die Herstellung von Mikroschaltungen oder winziger Maschinen durch Bewegung einzelner Atome ist theoretisch ebenfalls möglich, gehört aber immer noch in den Bereich der Science Fiction, meint Miller, "aber es ist immer gut, wenn man derartige Dinge als Ziel vor Augen hat. "

Mit dem Mikroskop können Oberflächen nicht nur abgetastet, sondern auch verändert werden. So lassen sich riesige Datenmengen speichern, indem kleine Gruppen von Atomen – oder sogar einzelne Atome – auf der Oberfläche aufgeschichtet werden, was einem binären Bit entspricht. Bei einem Abstand von 100 Nanometern zwischen den Häufchen hätten 1,2 Gigabyte Daten auf einem Quadratzentimeter Platz, erklärt Miller. Wenn die Hügel nur einen Nanometer voneinander entfernt wären, ließen sich sogar 12 Terabyte auf der gleichen Fläche unterbringen.

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