Speicher: Datenspeicher der Zukunft sind winzig

Hersteller von Festplatten stehen vor einem Problem. Allmählich stößt ihre Technik an ihre Grenzen: Um mehr Speicherkapazität zu erreichen, müssen die Daten auf der Platte immer dichter gepackt werden. Dadurch steigt die Gefahr, dass sich diese Magnetbits gegenseitig stören oder sogar löschen. Deshalb suchen Physiker nach Alternativen, die mehr Speicherpotenzial versprechen.

Einen neuen Ansatz stellen Forscher im aktuellen Fachmagazin Science vor. Dem Team des Instituts 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 Nanometern (Milliardstel Metern) deutlich kleiner als die Magnetbits auf den heutigen Festplatten, die etwa 50 Nanometer messen. Im Prinzip erlaubt das eine sehr viel höhere Speicherdichte: Heutige Festplatten fassen bis zu acht Terabyte. Massenspeicher auf Skyrmionen-Basis könnten eines Tages das Hundertfache bewältigen – soviel, wie auf 100 000 DVDs passt.

Bis jetzt nur tiefgekühlt

Bevor man jedoch an den Einsatz in Festplatten denken kann, muss der Prozess auch bei Raumtemperatur funktionieren. Bislang ist das Schreiben und Lesen der Magnetknoten nur bei Temperaturen um minus 269 Grad Celsius mit Hilfe einer aufwändigen Heliumkühlung möglich.

Voraussetzung für das Experiment war ein spezielles Material. Die Experten 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 Physiker Niklas 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 gezieltem Schreiben von Skyrmionen bereitet.

Das geschah mit einem speziellen Nanomikroskop im Laborkeller, 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.