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Physik: Winzige Bits

Ein einziger Quadratzentimeter Festplatte würde genügen, um ein paar Tausend Filme darauf abzuspeichern - mit magnetischen Wirbeln im Nanometerbereich wäre so einiges möglich. Doch nur wenn sich seine Ausrichtung ändern lässt, wird aus dem Wirbel auch ein Bit.
Kern des MagnetwirbelsLaden...
Immer kleinere, immer dichter gepackte Datenspeicher stehen bei Wissenschaftlern und Technikern gleichermaßen hoch im Kurs. Seit rund zehn Jahren setzen manche ihre Hoffnung in sogenannte magnetische Vortizes – Wirbel, deren Radius nicht größer als 20 Atome ist. Sie entstehen, wenn sich in sehr dünnen Plättchen magnetisierte Bereiche zu stabilen, geschlossenen Kreisen zusammenschließen.

Schalten des Vortex-KernsLaden...
Schalten des Vortex-Kerns | Dynamisches Schalten des Vortex-Kerns: Im oberen Teil sind die "Magnetnadeln" des Vortex-Kerns schematisch wiedergegeben, links mit Orientierung nach unten, rechts nach oben. Der untere Teil zeigt diese beiden Magnetisierungsrichtungen des Vortex-Kerns in zwei Bildern, aufgenommen mit einem magnetischen Raster-Röntgenmikroskop an der Advanced Light Source in Berkeley in Kalifornien. In der Mitte ist der bipolare Magnetfeldpuls dargestellt (250 MHz, in der Spitze 1,5 Milli-Tesla), der das Umschalten des Vortex-Kerns bewirkt.
Ähnlich wie im Zentrum eines Tornados gibt es in der Mitte eines solchen Wirbels einen Bereich, in dem die Magnetisierung aus der Ebene beinahe senkrecht herausragt, wobei beide Richtungen – nach oben oder nach unten – möglich sind. Neben der Drehrichtung haben Forscher vor allem diese Eigenschaft im Blick, wenn sie mit Vortizes Informationen speichern wollen, denn mit der Orientierung des Wirbels lässt sich genau ein Bit kodieren: "aufwärts" etwa könnte "1" bedeuten, "abwärts" stünde für die Null. Da die Wirbel so extrem klein sind, ließen sich theoretisch ungeheure Datenmengen auf kleinster Fläche unterbringen.

Wegen ihrer Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern und Temperaturschwankungen wären solche Datenspeicher nicht nur recht dauerhaft, die einzelnen Wirbel beeinflussen sich auch kaum gegenseitig, was das dichte Packen sogar noch begünstigt. Ließe sich tatsächlich auf dieser Basis eine Art Festplatte entwickeln, sie wäre schneller, kleiner, bräuchte weniger Strom und würde weniger Hitze produzieren als heutige Geräte. Außerdem sind die Wirbel sehr stabil, so dass die gespeicherten Daten erhalten blieben, auch wenn der Strom einmal abgestellt würde.

Ein gewichtiges Problem durchkreuzte jedoch bisher die Pläne der Forscher: Um planvoll Informationen ein- und auslesen zu können, muss die Ausrichtung des Vortex-Kerns geändert werden können. Gerade aber weil die Wirbel so stabil sind, benötigte man bisher ein sehr starkes Magnetfeld – etwa 500-mal so stark wie ein gewöhnlicher Hufeisenmagnet –, um ihre Orientierung umzudrehen.

Abhilfe könnte ein jetzt neu entdeckter Mechanismus schaffen: Gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen wiesen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart mit Hilfe der magnetischen Raster-Röntgenmikroskopie nach, dass sich Vortex-Kerne auch mit wesentlich geringerem Energieaufwand dynamisch schalten lassen.

Computersimulation des SchaltvorgangsLaden...
Computersimulation des Schaltvorgangs | Mikromagnetische Simulation des Schaltens des Vortex-Kerns durch einen kurzen Magnetpuls: (a) Ausgangszustand: Vortex-Kern nach unten; (b) zuerst ist eine zusätzliche Magnetisierung nach oben sichtbar; (c) daraus formiert sich eine Doppelspitze: Ein Vortex-Antivortex-Paar; (d) Endzustand: Nach Auslöschung des ursprünglichen Vortex durch den Antivortex bleibt ein Vortex-Kern nach oben übrig.
Durch einem kurzen Magnetpuls wird zunächst ein Magnetfeld senkrecht zum Vortex aufgebaut und so die ganze Struktur zu einer kollektiven Bewegung angeregt. In Computersimulationen zeigte sich, dass sich dadurch am Rand des ursprünglichen Wirbels eine Magnetisierung in entgegengesetzter Richtung bildet. Der so entstandene "Antivortex" löscht den ursprünglichen Vortex aus: übrig bleibt ein Wirbel mit entgegengesetzter Orientierung.

Der Schaltvorgang setzt nicht nur ein wesentlich schwächeres Magnetfeld voraus, sondern ist vor allem auch sehr schnell. Wie die Forscher nachwiesen, muss der Magnetpuls, der den Wirbel die Ausrichtung ändern lässt, nicht länger als vier Nanosekunden anhalten.

Damit ist die Wunder-Festplatte mit Wirbeltechnologie zwar bei weitem noch nicht zur Anwendungsreife gelangt. Ein weiterer Schritt in die richtige Richtung sollte den Entdeckern dieses Verfahrens allerdings gelungen sein.
23.11.2006

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23.11.2006

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