Niklas Romming hockt vor dem Kontrolldeck seines Labors, er hat vier Bildschirme im Blick. Dann ein Mausklick, und aus dem Lautsprecher tönt ein rhythmisches Knarzen: Der Hamburger Physiker hat die feine Spitze seines Nano-Mikroskops in Gang gesetzt. Ähnlich wie die Nadel eines Plattenspielers fährt sie holpernd über eine besondere Materialprobe – ein Stück Iridiummetall, beschichtet mit Eisen und Palladium. Jetzt hält Romming inne, er hat eine geeignete Stelle auf der Probe gefunden.
"Ich parke hier die Spitze mit der Maus. Dann erhöhe ich die Spannung, gleichzeitig den Strom. Dann sehen wir hier schon, wie das geschaltet hat. Dann stelle ich das ganz schnell wieder runter."
Kurz darauf, nach der Kontrollmessung, ist klar: Das Experiment ist geglückt.
"Wie man sieht, ist das die gleiche Stelle. Nur dass wir genau da, wo wir eben die Spitze geparkt hatten, ganz klar ein Skyrmion geschrieben haben."
Ein Skyrmion. Der Begriff geht auf den Theoretiker Tony Skyrme zurück. In den 60er-Jahren hatte der Brite über die grundlegenden Eigenschaften zweidimensionaler Flächen nachgedacht und etwas Verblüffendes entdeckt: Knoten lassen sich nicht nur in eindimensionale Gebilde binden, wie etwa in einen Schnürsenkel. Laut Mathematik müsste es auch möglich sein, einen Knoten in zwei Dimensionen zu knüpfen, also in einer Fläche. Dass es solche Skyrmionen tatsächlich gibt, entdeckten Physiker erst später: Sie tauchen in der Kernphysik auf und in ultrakalten Gasen – und nun auch in einem magnetischen Material.
"Ganz klassisch Eisen, wie man das aus Kühlschrankmagneten kennt. Das haben wir draufgepackt auf ein schweres Metall, Iridium. Und oben drauf Palladium."
Der Clou an diesem Eisen-Palladium-Sandwich: Die Schichten sind extrem dünn – dünner geht’s nicht. Romming:
"Ein Atom dick. Also wirklich sehr, sehr, sehr, sehr klein!"
Dieses Sandwich setzen die Forscher einem Magnetfeld aus, wodurch sich alle Atome in Reih und Glied senkrecht ausrichten, als wären sie winzige Kompassnadeln. Damit ist das Feld zum Schreiben der Skyrmionen bereitet. Das geschieht mit einem speziellen Mikroskop, sagt Projektleiterin Kirsten von Bergmann.
"Das Rastertunnelmikroskop besteht aus einer Spitze, die über eine Probenoberfläche gerastert wird. Und man misst einen Strom zwischen Spitze und Probe, aus dem man die ganzen Informationen über die Eigenschaften der Probenoberfläche extrahieren kann."
Das Besondere an der Hamburger Apparatur: Die Spitze des Mikroskops ist magnetisch. Dadurch können die Forscher winzige Magnetfelder auf der Probe erfassen und auch gezielt beeinflussen, indem sie kleine Ströme durch die Spitze schicken. Von Bergmann:
"Die drehen sich von Atom zu Atom und machen sozusagen einen magnetischen Knoten. Und aufgrund dieser Eigenschaft sind sie besonders stabil."
Die an der Oberfläche des Materials entstehenden Magnetknoten sind nicht nur stabil, sondern auch sehr klein, etwa fünf Nanometer. Das ist nur ein Zehntel der Größe jener Magnetbits, die in den heutigen Festplatten stecken. Das alles macht die Skyrmionen zu aussichtsreichen Kandidaten für die Speicher der Zukunft, sagt Niklas Romming:
"Wir erwarten, dass man das damit vielleicht ein bis zwei Größenordnungen, also noch einmal 100 Mal dichter packen könnte."
Heutige Festplatten fassen bis zu acht Terabyte. Speicher auf Skyrmionen-Basis könnten 800 Terabyte bewältigen – der Inhalt von mehr als 150.000 DVDs. Zuvor aber sind noch diverse Probleme zu lösen. So funktioniert das Schreiben der Magnetknoten bislang nur bei Temperaturen um minus 269 Grad Celsius, sagt Kirsten von Bergmann.
"Um das in die Anwendung zu bekommen, müsste man natürlich Systeme finden, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. Da hat man noch sehr viel Möglichkeiten zur Kombination unterschiedlicher Materialien zur Auswahl."
Dazu will ihr Team nun mit Material-Sandwichs experimentieren, die nicht aus zwei, sondern aus drei oder mehr hauchdünnen Schichten bestehen. Und da wäre noch eine zweite Hürde: Das Schreiben der Skyrmionen funktioniert noch nicht so wie gewünscht – bislang klappt nicht jeder Schreibversuch. Und deshalb müssen die Hamburger Physiker die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen noch eingehend studieren und besser verstehen.
"Ich parke hier die Spitze mit der Maus. Dann erhöhe ich die Spannung, gleichzeitig den Strom. Dann sehen wir hier schon, wie das geschaltet hat. Dann stelle ich das ganz schnell wieder runter."
Kurz darauf, nach der Kontrollmessung, ist klar: Das Experiment ist geglückt.
"Wie man sieht, ist das die gleiche Stelle. Nur dass wir genau da, wo wir eben die Spitze geparkt hatten, ganz klar ein Skyrmion geschrieben haben."
Ein Skyrmion. Der Begriff geht auf den Theoretiker Tony Skyrme zurück. In den 60er-Jahren hatte der Brite über die grundlegenden Eigenschaften zweidimensionaler Flächen nachgedacht und etwas Verblüffendes entdeckt: Knoten lassen sich nicht nur in eindimensionale Gebilde binden, wie etwa in einen Schnürsenkel. Laut Mathematik müsste es auch möglich sein, einen Knoten in zwei Dimensionen zu knüpfen, also in einer Fläche. Dass es solche Skyrmionen tatsächlich gibt, entdeckten Physiker erst später: Sie tauchen in der Kernphysik auf und in ultrakalten Gasen – und nun auch in einem magnetischen Material.
"Ganz klassisch Eisen, wie man das aus Kühlschrankmagneten kennt. Das haben wir draufgepackt auf ein schweres Metall, Iridium. Und oben drauf Palladium."
Der Clou an diesem Eisen-Palladium-Sandwich: Die Schichten sind extrem dünn – dünner geht’s nicht. Romming:
"Ein Atom dick. Also wirklich sehr, sehr, sehr, sehr klein!"
Dieses Sandwich setzen die Forscher einem Magnetfeld aus, wodurch sich alle Atome in Reih und Glied senkrecht ausrichten, als wären sie winzige Kompassnadeln. Damit ist das Feld zum Schreiben der Skyrmionen bereitet. Das geschieht mit einem speziellen Mikroskop, sagt Projektleiterin Kirsten von Bergmann.
"Das Rastertunnelmikroskop besteht aus einer Spitze, die über eine Probenoberfläche gerastert wird. Und man misst einen Strom zwischen Spitze und Probe, aus dem man die ganzen Informationen über die Eigenschaften der Probenoberfläche extrahieren kann."
Das Besondere an der Hamburger Apparatur: Die Spitze des Mikroskops ist magnetisch. Dadurch können die Forscher winzige Magnetfelder auf der Probe erfassen und auch gezielt beeinflussen, indem sie kleine Ströme durch die Spitze schicken. Von Bergmann:
"Die drehen sich von Atom zu Atom und machen sozusagen einen magnetischen Knoten. Und aufgrund dieser Eigenschaft sind sie besonders stabil."
Die an der Oberfläche des Materials entstehenden Magnetknoten sind nicht nur stabil, sondern auch sehr klein, etwa fünf Nanometer. Das ist nur ein Zehntel der Größe jener Magnetbits, die in den heutigen Festplatten stecken. Das alles macht die Skyrmionen zu aussichtsreichen Kandidaten für die Speicher der Zukunft, sagt Niklas Romming:
"Wir erwarten, dass man das damit vielleicht ein bis zwei Größenordnungen, also noch einmal 100 Mal dichter packen könnte."
Heutige Festplatten fassen bis zu acht Terabyte. Speicher auf Skyrmionen-Basis könnten 800 Terabyte bewältigen – der Inhalt von mehr als 150.000 DVDs. Zuvor aber sind noch diverse Probleme zu lösen. So funktioniert das Schreiben der Magnetknoten bislang nur bei Temperaturen um minus 269 Grad Celsius, sagt Kirsten von Bergmann.
"Um das in die Anwendung zu bekommen, müsste man natürlich Systeme finden, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. Da hat man noch sehr viel Möglichkeiten zur Kombination unterschiedlicher Materialien zur Auswahl."
Dazu will ihr Team nun mit Material-Sandwichs experimentieren, die nicht aus zwei, sondern aus drei oder mehr hauchdünnen Schichten bestehen. Und da wäre noch eine zweite Hürde: Das Schreiben der Skyrmionen funktioniert noch nicht so wie gewünscht – bislang klappt nicht jeder Schreibversuch. Und deshalb müssen die Hamburger Physiker die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen noch eingehend studieren und besser verstehen.