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Magnetische Datenspeicherung mit elektrischen Feldern Max-Planck-Gesellschaft steigert Datendichte per magneto-elektrischer Kopplung

Redakteur: Nico Litzel

Mit einer neuen Speichertechnik lassen sich Daten künftig möglicherweise 400-mal dichter packen als bisher.

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Zwei rastertunnelmikroskopische Aufnahmen derselben Eiseninsel vor und nach dem Beschreiben mit einem elektrischen Feld: Links dominiert der antiferromagnetische Bereich (blau), rechts, nach dem Feldimpuls, der ferromagnetische Bereich (gelb).
Zwei rastertunnelmikroskopische Aufnahmen derselben Eiseninsel vor und nach dem Beschreiben mit einem elektrischen Feld: Links dominiert der antiferromagnetische Bereich (blau), rechts, nach dem Feldimpuls, der ferromagnetische Bereich (gelb).
( Bild: Wulf Wulfhekel, KIT )

Gegenwärtig dominieren Festplatten die Datenspeicherung. Auf den Disks werden Informationen mit Magnetfeldern geschrieben und ausgelesen. Die Hersteller arbeiten kontinuierlich daran, den Raum zu verkleinern, auf dem sich ein Bit unterbringen lässt. Allerdings kann dieser Prozess nicht unbegrenzt fortgeführt werden, denn das klassische magnetische Verfahren dürfte bald an seine physikalischen Grenzen stoßen. Eine alternative Methode könnte Abhilfe schaffen und es künftig erlauben, Petabyte-Festplatten herzustellen: die magneto-elektrische Kopplung.

Bei diesem Verfahren werden magnetische Informationen geschrieben, indem ein elektrisches Feld angelegt wird. Dieses Phänomen wurde nach Angaben der Max-Planck-Gesellschaft bisher vor allem in Isolatoren mit einer komplexen Struktur beobachtet. In gewöhnlichen Metallen tritt dieser Effekt hingegen nicht auf, da ein elektrisches Feld nur an der Oberfläche eine Ladung induziert. Diese Ladung schirmt das elektrische Feld ab.

Auf der Nanoebene ändern sich die Spielregeln

Anders verhält es sich in der nanoskopischen Schicht eines magnetischen Metalls, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle mithilfe von Großrechnern in Garching und Jülich berechnet haben: Demnach ändert das elektrische Feld die magnetische Ordnung in zwei Lagen aus Eisenatomen, die eine Kupferoberfläche überziehen – und zwar gerade durch die Oberflächenladung. Diese Ladung erstreckt sich nach Angaben des Forscherteams typischerweise nur über eine Atomanlage und besteht aus negativ geladenen Elektronen sowie positiv geladenen Atomrümpfen, die durch das elektrische Feld leicht verschoben werden.

Je nach Richtung des elektrischen Feldes vergrößert oder verkleinert sich dabei der Abstand zwischen den Atomen der beiden obersten Atomlagen um wenige milliardstel Millimeter. Diese Verschiebung reiche allerdings bereits aus, um die magnetische Ordnung in Eisen zwischen ferromagnetisch und antiferromagnetisch zu schalten.

Test im Rastertunnelmikroskop

Nachdem die Physiker aus Halle herausgefunden hatten, dass sich in dem Modellsystem, das aus zwei Atomlagen Eisen auf Kupfer besteht, Informationen schreiben lassen, setzten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) die Methode mithilfe eines Rastertunnelmikroskops experimentell um. Dieses erlaubt zum einen die Abbildung metallischer Oberflächen und liefert daneben auch das dafür notwendige, extrem hohe elektrische Feld von einer Milliarde Volt pro Meter. Das Karlsruher Team schrieb, wie theoretisch vorausgesagt, unter der feinen Spitze des Rastertunnelmikroskops magnetische Bits mithilfe des lokalen elektrischen Feldes auf einer Fläche von gerade einmal zwei Nanometern Länge und einem Nanometer Breite.

Mit ihrer Arbeit haben die Forscher gezeigt, dass sich die elektro-magnetische Kopplung prinzipiell eignet, Daten 400-mal dichter zu packen, als es auf heutigen Disks möglich ist. Die Forscher gehen allerdings nicht von einer schnellen Marktreife aus: Ehe die Technik in handelsüblichen Speichermedien eingesetzt werden kann, müssten Physiker und Ingenieure noch einige praktische Hürden nehmen.

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