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Datenspeicherung: Über die Maßen

Elektronische Geräte müssen schnell sein und natürlich möglichst klein. Doch der Miniaturisierung sind Grenzen gesetzt - irgendwann kann die Information einfach nicht weiter zusammengeschnürt werden. Es sei denn, man geht neue Wege.
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Will man seinen Namen auf ein Reiskorn schreiben, bedarf das schon gehöriger Fingerfertigkeit. Mit technischen Hilfsmitteln erscheinen diese Dimensionen allerdings lachhaft. Bereits im Jahr 1989 schrieben zwei Forscher die Buchstaben IBM mit nur 35 Xenonatomen auf eine Nickeloberfläche. Mit dieser Herangehensweise würden die Namen der Einwohner einer Großstadt auf ein Reiskorn passen.

Ihren Kleinschreibrekord verdanken die Wissenschaftler einem Rastertunnelmikroskop, mit dem sie die einzelnen Atome der Reihe nach auf den rechten Platz brachten. Trotzdem sollte zwischen den einzelnen Teilchen immer genügend Abstand herrschen, damit sie nicht miteinander in Wechselwirkung treten – so wäre also der Menge an maximal aufschreibbarer Information pro Fläche eine natürliche Grenze gesetzt.

Hologramm aus Molekülen

Hari Manoharan von der Stanford University in Kalifornien und seine Mitarbeiter haben es jedoch geschafft, diese zu unterschreiten. Sie arbeiten zwar ebenfalls mit einem Rastertunnelmikroskop, doch war ihr Ansatz ein anderer: Mit den Molekülen bastelten die Wissenschaftler ein Quantenhologramm, anstatt direkt auf die Oberfläche zu schreiben. Während ein gewöhnliches Hologramm Lichtwellen nutzt, um dreidimensionale Objekte zu speichern und später plastisch wiederzugeben, erzeugt die neue Methode perfekte Abbilder mit Hilfe der quantenmechanischen Eigenschaften von Elektronen.

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Meilensteine im Kleinschreiben | a) Elektronenstrahl-Lithografie, b) Ein S als Loch – gebohrt mit einem energiereichen Elektronenstrahl, c) Mit Xenon-Atomen in Reih und Glied schrieben zwei Forscher im Jahr 1989 das Firmenlogo von IBM, d) Quantenholografie, e) maximal gepackte, einzelne Metallatome, f) subatomare Quantenholografie
Diese sorgen zum Beispiel dafür, dass ein Teilchen zunächst keinen bestimmten Standort hat, sondern lediglich gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Tatsächlich befindet es sich gleichzeitig in verschiedenen Zuständen – so hat ein Elektron ihres Fingers immerhin eine verschwindend geringe Chance, sich gerade in Paris aufzuhalten. Mit dieser Eigenart lernten Physiker allerdings umzugehen. Sie schrieben den Teilchen eine Wellenfunktion zu, mit der sich diese Wahrscheinlichkeiten immerhin berechnen lassen. Und in eben dieser kodierten die Forscher um Manoharan nun die gewünschten Informationen.

Ein S für Stanford

Mit einem Rastertunnelmikroskop positionierten und manipulierten sie dazu Kohlenmonoxid-Moleküle auf einer Schicht aus Kupfer in der Art, dass später, also im Hologramm, ein rund ein Nanometer großes "S" mit einer Linienbreite von nur 0,3 Nanometern für Stanford zu erkennen sein würde. Es besetzte damit nur die Hälfte der Fläche, die bislang von den kleinsten Buchstaben – aus direkt auf die Oberfläche gebrachten Metallatomen – eingenommen wurde. Zudem enthielt das Stanford S 35 Bit an Informationen, beziehungsweise eine Informationsdichte von mehr als 20 Bit pro Quadratnanometer – mehr als das doppelte als bei den "klassischen" Schreibverfahren.

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Quantenhologramm | Eine bestimmte Anordnung von Kohlenmonoxid-Molekülen (links) erzeugt ein Quantenhologramm (Mitte). Die Vorlage und das ausgelesene Bild stimmen überein (rechts).
Im Fall eines herkömmlichen Hologramms bedarf es einer externen Lichtquelle, um das dreidimensionale Bild erstrahlen zu lassen. Hier übernahmen nun die Elektronen an der Kupferoberfläche den Job: Sie interferieren mit den Kohlenmonoxid-Molekülen zu einem Quantenhologramm. Allerdings läuft diese Projektion nicht in drei, sondern nur in zwei Raumdimensionen und einer Energiedimension. So lässt es sich dann auch nicht mit bloßen Augen bestaunen – wieder kam das Rastertunnelmikroskop zum Einsatz.

Ferner demonstrierten Manoharan und sein Team, dass sich auch weitere Informationen in dasselbe Hologramm schreiben lassen: in diesem Fall ein "U". Sie lasen die beiden Buchstaben aus, indem sie das Hologramm nach Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus abtasteten. Leider ist es bisher sehr zeitaufwändig, die Werke auf diese Weise zu betrachten. Eine praktische Anwendung der Technik liegt deshalb auch noch in weiter Ferne. Zumindest in diesem Punkt geht das gemeine Reiskorn als klarer Sieger hervor.
5. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 5. Woche 2009

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  • Quellen
Moon, C. R. et al.: Quantum holographic encoding in a two-dimensional electron gas. In: Nature Nanotechechnology 10.1038/nnano.2008.415, 2009.

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