Wie man Daten auf Magneten der Größe eines Atoms speichert

Es gibt ein Sprichwort, welches besagt, dass die Datenmenge solange wächst, bis jeder verfügbare Platz aufgebraucht ist. Vor zehn oder 20 Jahren war es üblich, Software, MP3 Musik, Filme und andere Daten, die über eine lange Zeit hinweg gesammelt wurden, zu lagern. In Zeiten als Festplatten nur einige Gigabyte an Speicher leisten konnten, war es fast unmöglich, genügend Speicherplatz zur Verfügung zu haben.

Wenn wir heute Breitband-Internet nutzen und DVDs mit 4,7 Gigabyte ohne nachzudenken herunterladen können, lassen sich Daten noch viel schneller anhäufen. Schätzungen zufolge soll die Menge aller weltweit gespeicherten Daten von 4,4 Billionen Gigabyte im Jahr 2013 auf 44 Billionen Gigabyte im Jahr 2020 ansteigen. Das bedeutet, wir generieren durchschnittlich 15 Millionen Gigabyte am Tag. Auch wenn Festplattenspeicher mittlerweile tausende von Gigabytes umfassen und nicht mehr nur einige wenige, so reicht dieser immer noch nicht aus.

Forschung und Entwicklung konzentrieren sich auf den Ausbau neuer Methoden der Datenspeicherung. Durch höhere Speicherdichte sollen mehr Informationen auch energieeffizienter abgespeichert werden können. Dies erfordert zuweilen auch Änderungen bereits etablierter Methoden. Erst kürzlich kündigte IBM eine neue Magnetbandtechnologie an, die knapp vier Gigabyte pro Quadratzentimeter speichern kann. Für die mittlerweile 60 Jahre alte Technologie ist das ein neuer Rekord. Obwohl magnetische Laufwerke oder SSDs eine höhere Speicherdichte von etwa 31 Gigabyte pro Quadratzentimeter bieten, werden Magnetbänder noch häufig zur Sicherung von Back-Ups benutzt.

Der neueste Stand der Forschung bewegt sich bereits auf der atomaren Ebene, der technologisch größtmöglichen Miniaturisierung.

Die Suche nach atomaren Magneten

Aktuelle Magnetspeichertechnologien – wie sie in herkömmlichen Festplatten mit Drehscheiben benutzt werden, der Standard bis vor einigen Jahren und immer noch sehr gebräuchlich – benutzen sogenannte „top-down“-Methoden. Es werden viele dünne Schichten aus ferromagnetischem Material hergestellt, wobei jeder dieser Schichten viele magnetische Bereiche enthält, welche die Daten speichern können. Jeder dieser Bereiche enthält eine Vielzahl magnetisierter Atome, deren Polarisierung durch den Lese-/Schreibkopf der Festplatte gesetzt werden kann, wodurch die binären Einheiten Null und Eins repräsentiert werden.

Bei einer alternativen „bottom-up“-Methode würde jede Speichereinheit durch Platzierung der einzelnen Atome oder Moleküle entstehen, die jeweils genau ein Bit an Information tragen. Die magnetischen Bereiche erhalten ihren Magnetspeicher aufgrund der Interaktion von benachbarten magnetisierten Atomen.

Einatomige oder einmolekulare Magnete benötigen keine derartige Kommunikation mit benachbarten Einheiten, um ihre Informationen zu erhalten. Ihre Speicherfähigkeit hingegen resultiert aus der Quantenmechanik. Gerade weil Atome und Moleküle sehr viel kleiner sind als die aktuell genutzten Magnetfelder und sie auch individuell verwendbar sind, können sie sehr viel dichter angeordnet werden, was eine enorme Erhöhung der Speicherdichte bedeuten könnte.

Auf molekularer und atomarer Ebene zu arbeiten, ist keine Science Fiction. Die Magnetspeicherfähigkeit einmolekularer Magnete (engl. single-molecule magnets SMMs) wurde erstmals 1993 demonstriert. Ähnliche Effekte wurden 2016 für einatomige Magnetspeicher gezeigt.

Die Erhöhung der Temperatur

Das größte Problem diese noch Labortechnologie auf den Markt zu bringen, ist, dass diese Technologie noch nicht bei Raumtemperatur funktioniert. Sowohl einatomige Speicher als auch die SMMs erfordern eine Kühlung mit flüssigem Helium (eine Temperatur von -269 Grad Celsius), das nur begrenzt verfügbar und zudem auch sehr teuer ist. Daher befasst sich die Forschung der letzten 25 Jahre damit, die Temperatur zu erhöhen, bei der die magnetische Hysterese – als Nachweis der magnetischen Speicherung – zu beobachten ist. Ein wichtiges Ziel sind -196 Grad, da diese Temperatur durch flüssigen Stickstoff erreicht werden kann, welcher reichlich vorhanden und günstig ist.

Es dauerte 18 Jahre bis zum ersten bedeutenden Schritt bei der Erhöhung der Temperatur, die die Magnetspeicherung mit SMMs ermöglicht. Eine Gruppe von Wissenschaftlern in Kalifornien erreichte eine Erhöhung um zehn Grad. Doch jetzt hat unser Forschungsteam der University of Manchester’s School of Chemistry eine magnetische Hysterese mit SSMs bei -213 Grad Celsius, basierend auf dem Seltenerdenelement Dysprosocenium, erreicht, wie in einem Brief an die Fachzeitschrift Nature berichtet wurde. Mit diesem Sprung um 56 Grad Celsius fehlen nur noch 17 Grad zur Temperatur von flüssigem Stickstoff.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „Data“ by Markus Spiske (CC0 Public Domain)


The Conversation

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Nicholas Chilton

Nicholas Chilton

absolvierte sein Studium an der Monash University in Melbourne, Australien, über die Synthese und Charakterisierung von paramagnetischen Komplexen von 3d und 4f. Danach machte er seinen Doktortitel an der University of Manchester mit dem Fokus auf der magnetische Anisotropie von Übergangsmetallkomplexen. Im Jahr 2015 erhielt Dr. Chilton den Dalton Young Researchers Award von der Royal Society of Chemistry und wurde mit einem britischen Ramsay Memorial Stipendium für 2016 – 2018 ausgezeichnet, um zu untersuchen, wie Koordinationschemie für die Entwicklung von spezifischen magnetischen Zuständen von Lanthanid-Ionenverwendet werden kann.

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