Grundlagenforschung für kompakte Speicher

Forscherteam schafft mit Ein-Atom-Bit den kleinsten Speicher der Welt

| Redakteur: Nico Litzel

Mit einem Rastertunnelmikroskop werden einzelne Holmiumatome auf einer Platinoberfläche sichtbar.
Mit einem Rastertunnelmikroskop werden einzelne Holmiumatome auf einer Platinoberfläche sichtbar. (Bild: KIT/T. Miyamachi)

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein einzelnes Atom so auf einer Oberfläche fixiert, dass dessen magnetischer Spin über Minuten hinweg stabil blieb. Damit sind die Wissenschaftler der Vision eines Ein-Atom-Bits ein Stück nähergekommen.

Ein magnetisches Bit besteht derzeit aus Millionen von Atomen. Nur so ist gewährleistet, dass es über Jahre hinweg stabil ist. Gelänge es, ein Bit mithilfe eines einzelnen Atoms stabil abzubilden, so könnten sich Festplatten mit enormer Speicherdichte konstruieren lassen. Das Problem dabei ist, dass ein einzelnes Atom normalerweise zu instabil ist. „Ein einzelnes Atom, fixiert auf einer Unterlage, ist meist so empfindlich, dass es nur Bruchteile einer Mikrosekunde, etwa 200 Nanosekunden, seine magnetische Ausrichtung beibehält“, erklärt Wulf Wulfhekel vom Karlsruher Institut für Technologie.

Minuten statt Nanosekunden

Zusammen mit Kollegen aus Halle hat Wulfhekel es nun geschafft, diese Zeit um einen Faktor von etwa einer Milliarde auf mehrere Minuten zu verlängern. „Dies öffnet nicht nur das Tor zu dichteren Computerspeichern, sondern könnte auch für den Aufbau von Quantencomputern einen Grundstein legen“, so Wulfhekel weiter.

Beim aktuellen Experiment haben die Wissenschaftler ein einzelnes Holmiumatom auf eine Platinunterlage gesetzt. Holmium steht im Periodensystem in der Gruppe der Lanthanoide, zählt zu den Metallen der Seltenen Erden und hat die Ordnungszahl 67.

Bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) hat das Forscherteam mithilfe der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops die magnetische Ausrichtung des Atoms vermessen. Wulfhekel und seine Kollegen konnten dabei beobachten, dass der magnetische Spin erst nach rund zehn Minuten umgesprungen ist. „Das System hält seinen einmal eingestellten magnetischen Spin somit rund eine Milliarde mal länger als vergleichbare atomare Systeme“, so Wulfhekel weiter.

„Um die Spin-Umklapp-Zeiten zu verlängern, haben wir den störenden Einfluss der Umgebung für das Atom ausgeblendet“, erklärt Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der theoretische Rechnungen für das Experiment beigetragen hat. Normalerweise interagieren die Elektronen der Unterlage und des Atoms rege quantenmechanisch miteinander und destabilisieren dadurch den Spin des Atoms in Mikrosekunden oder schneller aus dem Grundzustand, erklärt Ernst.

Symmetrie des Quantensystems

Im Fall von Holmium und Platin werden störende Wechselwirkungen bei tiefen Temperaturen durch die Symmetrieeigenschaften des vorliegenden Quantensystems ausgeschaltet. „Im Grunde sind Holmium und Platin für einander im Bezug auf Spinstreuung unsichtbar“, fasst Ernst zusammen. Mit externen Magnetfeldern ließe sich der Spin des Holmiums aber noch einstellen und so Informationen schreiben. Damit wären die Grundlagen für die Entwicklung kompakter Datenspeicher oder Quantencomputer gelegt, geben sich die Forscher optimistisch.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature“ (Stabilizing the magnetic moment of single Holmium atoms by symmetry, T. Miyamachi et al., DOI: 10.1038/nature12759).

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