Atome als Bits: Forscher haben erstmals einen atomaren Datenspeicher konstruiert, der ein Kilobyte an Informationen aufnehmen kann. Jedes Bit besteht darin aus einem Chloratom mit angrenzender Atomlücke, die Position des Atoms kodiert eine Null oder Eins. Der Clou dabei: Dieser atomare Speicher ist weitaus stabiler als bisherige Ansätze und besitzt eine 500fach höhere Speicherdichte als zurzeit erhältliche Festplatten, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Nanotechnologie“ berichten.
Jeden Tag produzieren wir mehr als eine Milliarde Gigabytes an neuen Daten – Tendenz weiter steigend. Forscher suchen daher nach immer neuen Methoden, um Datenspeicher und Rechner zu miniaturisieren. Die Idee, einzelne Atome als Bits zu nutzen, liegt dabei nahe. Bereits 2013 war es Forschern gelungen, einzelne Atome des Seltenerd-Metalls Holmium auf einer Platinunterlage als Speicherbits zu nutzen. Der magnetische Spin der Atome diente dabei als Marker für „Null“ oder „Eins“.
Doch solche Ansätze mit einzelnen Atomen und ihren Spins haben einen gravierenden Nachteil: Der Zustand der atomaren Bits bleibt selbst bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt nicht lange stabil – im Fall des Holmiums waren es nur zehn Minuten. Das ist zwar eine Milliarde Mal länger als bei vergleichbaren Systemen, aber für eine dauerhafte Datenspeicherung noch immer viel zu kurz.
Atom plus Lücke als Bit
Sander Otte von der Universität Delft und seine Kollegen haben daher sozusagen den umgekehrten Ansatz gewählt: Bei ihnen sind die Lücken in einem Atomgitter die entscheidenden Marker für ein Bit an digitaler Information. Für ihren Atomspeicher dampften die Forscher Chloratome so auf eine Kupferunterlage auf, dass diese ein einlagiges regelmäßiges Gitter bildeten.
In diesem Gitter aus Chloratomen treten typischerweise Lücken auf, Stellen an denen ein Atom fehlt. Jeweils ein Chloratom und eine benachbarte Lücke bilden dabei ein Bit, wie die Forscher erklären. „Wenn das Chloratom oben ist und die Lücke darunter, dann ist dies eine Eins“, erklärt Otte. „Steht dagegen das Loch in der Topposition und das Chloratome befindet sich darunter, dann repräsentiert das Bit eine Null.“
Nullen und Einsen im Schiebepuzzle
Der Clou daran: Die Bits lassen sich mit Hilfe eines Rastertunnel-Mikroskops relativ leicht und kontrolliert verändern. Es reicht, ein wenig Spannung in die Mikroskopspitze zu geben, damit ein Chloratom seine Position ändert und in eine benachbarte Lücke wechselt. „Das ist wie ein Schiebepuzzle“, sagt Otte. „Wir können das Chloratom zwischen beiden Positionen gezielt hin und herschieben.“
Weil diese Bits in ein Gitter aus Chloratomen eingebettet sind, bleibt die Konfiguration trotz der Atomlücken stabil. „Das stellt einen grundlegenden Fortschritt bei der Konstruktion funktionaler Anordnungen auf der atomaren Skala dar“, betonen die Forscher. Zwar muss auch der Chloratom-Speicher noch bis auf minus 230 Grad heruntergekühlt werden, aber nicht mehr bis knapp über dem absoluten Nullpunkt.
Feynman-Text in Atomen kodiert
Um einen Atomspeicher von einem Kilobyte zu konstruieren, fassten die Forscher die Atombits jeweils zu 64er-Blöcken zusammen. Jeder dieser acht Byte umfassenden Blöcke ist von einem Rand umgeben und trägt einen einleitenden Marker, der die Kennung des Blocks enthält und die Information über dessen Zustand. „Blöcke können so als beschädigt markiert werden und werden dann beim Lesen und Schreiben übersprungen“, erklären die Wissenschaftler.
Der fertige Kilobyte-Speicher besteht aus 14 Blöcken und ist 100 Nanometer breit. Er erreicht eine Speicherdichte von 502 Terabits pro Quadratzoll (Tbpsi), wie die Forscher berichten. Das ist 500-mal mehr als die besten zurzeit kommerziell erhältlichen Festplatten. „Theoretisch könnte man mit dieser Speicherdichte alle Bücher, die die Menschheit je geschrieben hat, auf eine einzige Briefmarke schreiben“, erklärt Otte.
Als praktischen Test nutzten die Forscher ihren atomaren Kilobyte-Speicher, um einen englischen Text zu kodieren. Zu Ehren des US-Physikers Richard Feynman, der bereits 1959 über künftige atomare Speicher spekulierte, wählten sie dafür einen Ausschnitt aus Feynmans berühmtem Vortrag „There’s plenty of room at the bottom“.
Noch zu kalt und zu langsam
Nach Ansicht der Forscher eröffnet dieses atomare Speicherprinzip vielversprechende Aussichten für künftige stabile und skalierbare Atom-Datenspeicher. Bis allerdings solche atomaren Bits unsere Informationen kodieren, müssen noch einige Hürden überwunden werden, wie Otte einräumt: „In seiner jetzigen Form kann dieser Speicher nur unter Vakuumbedingungen und bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff arbeiten“, so der Forscher.
Hinzu kommt, dass das Schreiben und Lesen der atomaren Bits bisher nicht gerade schnell ist: Einen Block auszulesen dauert ein bis zwei Minuten, das Schreiben sogar zehn Minuten, wie die Physiker berichten. Sie gehen aber davon aus, dass bereits verfügbare Hochfrequenz-Rastertunnel-Technologien dieses Tempo auf ein Megabit pro Sekunde erhöhen könnten.
„Ungeachtet der unvorhersehbaren Komplikationen bei solchen Weiterentwicklungen ist es wichtig, die Bedeutung dieser Errungenschaft zu erkennen“, beton Steven Erwin vom Naval Research Laboratory in Washington in einem begleitenden Kommentar. „Wir haben hier einen funktionierenden hochdichten Datenspeicher im Atommaßstab, der in jedem Fall Anregungen für den nächsten Meilenstein in diesem Gebiet liefert.“ (Nature Nanotechnology, 2016; doi: 10.1038/nnano.2016.131)
(Nature/ Delft University of Technology, 19.07.2016 – NPO)
