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Rekord: Magnetspeicher aus nur einem Atom

Atomen dauerhaft eine Magnetisierung vorzugeben, scheiterte immer an deren Unbeständigkeit. Nun gelang es doch: dank dem Element Holmium. Fantastisch dichte Speicher wären möglich.
Innenleben einer herkömmlichen FestplatteLaden...

Forschern ist es gelungen, aus einzelnen Atomen Speicher für digitale Bits zu machen. Das Team um Fabian Natterer von der ETH Lausanne richtete dazu das Magnetfeld des Atoms aus: Zeigte es in die eine Richtung, stellte das Atom eine digitale Eins dar, zeigte es in die andere, stellte es eine Null dar.

Damit funktionierte das System von Natterer und Kollegen nach demselben Prinzip wie moderne Festplatten. Nur sind es dort immer Abschnitte von mehreren Millionen Atomen, aus deren Magnetisierung sich ein digitales Bit ergibt. Je weniger Atome ein solcher "Bitbereich" umfasst, desto dichter lassen sich Daten schreiben. Ein einzelnes Atom stellt somit die maximal mögliche Verdichtung dar. Das Team verwendete in den Tests zwei Atome und speicherte folglich insgesamt zwei Bits.

Ein Problem bei früheren Versuchen war, dass die Magnetisierungsrichtung eines einzelnen Atoms in den allermeisten Fällen nicht konstant bleibt. Schon nach kürzester Zeit wechselt das Feld von allein die Richtung. Natterer und Kollegen fanden jedoch im Seltenerdmetall Holmium eine Ausnahme: Auf Grund seiner Elektronenstruktur ist das Magnetfeld besonders unempfindlich gegenüber Einflüssen von außen.

Die Wissenschaftler platzierten das Holmium auf einer Schicht Magnesiumoxid und kühlten ihre Versuchsanordnung auf eine Temperatur von fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt. Mit Hilfe der ultrafeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops ließ sich das Atom wie gewünscht magnetisieren. Ebenso kann man es mit dem Instrument auch wieder auslesen. Für den Lesevorgang entwickelten die Forscher allerdings noch eine zweite – schnellere – Variante, bei der ein Eisenatom als Sensor eingesetzt wird.

Das Experiment der Forscher ist freilich reine Grundlagenforschung und noch fern jeglicher Anwendungsreife. Mindestens die Anforderung an die Kühlung stünde dem Einsatz im Alltag entgegen. Auch ist längst nicht klar, wie sich Abermillionen Bits in schneller Folge lesen und schreiben lassen. Und nicht zuletzt sind andere Eigenschaften einzelner Atome womöglich viel nützlicher für die Speicherung – so zum Beispiel ihre Position: Mit Hilfe der Mikroskopspitzen kann man Atome auch bewegen. Eine digitale Eins wäre beispielsweise darstellbar, indem man Atome in einem festgelegten Raster verschiebt.

Und nicht zuletzt kann man wohl guten Gewissens ein bisschen großzügiger sein: Nimmt man eine Hand voll Atome für jedes Bit, dürfte dies allen nur denkbaren Anforderungen vollauf genügen. Mit Hilfe von künstlich erzeugten DNA-Sequenzen beispielsweise ließe sich schon jetzt der gesamte Datenbestand der Welt in kaum mehr als einer Kaffeetasse abspeichern.

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