Storage-Zukunft aus Jülich

Speichern mit dem Spin

| Autor / Redakteur: Bernd Schöne / Rainer Graefen

Vier Beispiele der untersuchten Doppelwirbel-Zustände mit entgegengesetzten Drehrichtungen der Wirbel. Die gelben, flachen Pfeile in den Scheiben stellen die Drehrichtung der Magnetisierung dar. Die Polarität der Wirbelkerne ist mit roten und grünen Pfeilen dargestellt. Der Kern mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern hat einen überraschend großen Einfluss auf die Dynamik der Magnetisierung, wenn ein Strom durch die Doppelwirbel-Türmchen fließt.
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Vier Beispiele der untersuchten Doppelwirbel-Zustände mit entgegengesetzten Drehrichtungen der Wirbel. Die gelben, flachen Pfeile in den Scheiben stellen die Drehrichtung der Magnetisierung dar. Die Polarität der Wirbelkerne ist mit roten und grünen Pfeilen dargestellt. Der Kern mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern hat einen überraschend großen Einfluss auf die Dynamik der Magnetisierung, wenn ein Strom durch die Doppelwirbel-Türmchen fließt. (HZDR/FZJ)

Forscher aus Jülich speichern Informationen mit dem Spin der Elektronen. So sollen ultraschnelle Speicherzellen entstehen, die auch direkt in die CPU verbaut werden können.

Jüngste Forschungsergebnisse von Physikern am Peter Grünberg Institut im Forschungszentrum Jülich eröffnen Technikern in Zukunft eine neue Methode, nichtflüchtige Speicher zu konstruieren. Ohne drehende Teile wie bei einer Festplatte.

Ähnlich wie bei einer SSD handelt es sich um Computerchips, die aber nach einem gänzlich anderen Prinzip funktionieren. Sie speichern die Information magnetisch - fast so, wie die Kernspeicher der ersten Mainframes aus den 60er Jahren.

Informationen mit Wirbelmagneten speichern

Allerdings sind die Gebilde nur wenige Nanometer groß und umfassen nur wenige Atome. Sie bestehen aus komplex aufgebauten Nanostrukturen, kristallartige Objekte aus zwei bis drei Elementen, mit oft unerwarteten Eigenschaften. Konstruiert man mit diesen Nanostrukturen einen Ring aus kleinen Stabmagneten, so entsteht im Innern eine Struktur, mit der sich Informationen speichern lassen. Und zwar aktuell bis zu vier Bit.

Die dort "verbauten" Atome formen so genannte "Wirbelmagnete", die sich in Bezug zu ihrer Umgebung magnetisch orientieren. Verantwortlich dafür ist die Spin-Anordnung der inneren Elektronen. Pro Wirbel lassen sich so zwei Bit speichern.

Das Blockflöten-Prinzip

Den Forschern in Jülich ist es nun zusammen mit ihren Kollegen vom Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Straßburg) erstmals gelungen, diese Eigenschaft des Materials auch nutzbar zu machen. Sie schrieben zunächst mit Hilfe eines kurzen Stromstoßes eine Spin-Ausrichtung, und lasen sie später wieder aus.

Dazu legten sie eine geringe Gleichspannung an die Struktur, die mit einem hochfrequenten Wechselstrom antwortet. Ähnlich wie bei einer Blockflöte, bei der jeder Griff auf die Tonlöcher mit einer Tonlage korrespondiert, codieren die Frequenzen den inneren Zustand der Wirbelmagnete. Das Resultat ist eine nutzbare Information.

Aktuell können die Forscher bis zu zwei Wirbelmagnete zu einem "Doppelwirbel-Türmchen" zusammensetzen. Im Innern lassen sich dann 16 verschiedene Zustände unterscheiden - oder in der Sprache der IT vier Bits codieren. In Zukunft könnte es auch noch mehr werden. Aber je mehr Zustände, desto schwieriger ist es, die Frequenzen sauber zu unterscheiden, wie Dr. Daniel Bürgler vom Peter Grünberg Institut erläutert.

Nano-Scheiben und Big Data

Die Speicherdichte der neuen Zellen ist mit dem der modernsten Festplatten vergleichbar. Da jedes Doppelwirbel-Türmchen für vier Bit steht, liegen die Nano-Scheiben sogar etwas voraus, obwohl ihre Entwicklung erst ganz am Anfang steht.

Doch die Forscher denken noch in eine ganz andere Richtung. Die neuen Speicherzellen sind klein und nichtflüchtig. Die verwendeten Materialien lassen sich auch in die CPU integrieren, da sie temperaturmäßig den Siliziumstrukturen des Chips nicht gefährlich werden. Damit würden sich für aktuelle Computerarchitekturen wie Hadoop gänzlich neue Möglichkeiten bieten.

Die heute gebräuchlichen Zwischenspeicher sind flüchtig. Die Verbindungswege zu den nichtflüchtigen Speichern sind lang. Das bedeutet hohen Zeitverlust, aber aufgrund der hohem Frequenzen auch unnötig hohen Energieverbrauch. Als Ergebnis würden den Anwendern ungemein schnelle, kompakte und zudem verbrauchsarme Computersysteme zur Verfügung stehen.

Alles eine Frage der Zeit

Die Nano-Scheibchen könnten somit die Computerwelt revolutionieren. Die ersten Firmen haben bereits ein Auge auf die Entwicklung geworfen. Deutsche Forschergruppen - außer in Hamburg und Jülich sitzen diese ebenso in München und Köln - gelten neben den japanischen als weltweit führend bei der Erforschung der magnetischen Wirbel in Skyrmionen-Materialien, wie sie wissenschaftlich auch genannt werden. Wann man die ersten Speichersysteme kaufen kann ist allerdings noch offen. In zehn Jahren, so die Forscher, wissen wir mehr.

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