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StartseiteForschung aktuellDaten im Atomkern29.06.2015

Neues SpeicherkonzeptDaten im Atomkern

Der digitale Speicherbedarf wird immer größer, alle zwei Jahre verdoppelt sich die Menge der weltweit erzeugten Daten. Nun tüfteln Physiker an einer verwegenen Idee mit einigem Potenzial: Auf der Basis von Diamanten entwickeln sie eine Methode, mit der man Informationen in einzelne Atomkerne quetschen kann. Das Resultat könnte eine geradezu sagenhafte Speicherdichte sein.

Von Frank Grotelüschen

USB-Stick in einem Laptop (imago / Christian Ohde)
Der Bedarf an neuen Speicherarten wächst. (imago / Christian Ohde)
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PCs, Smartphones, Tablets - mit ihren hochgezüchteten Siliziumprozessoren leisten sie heute Erstaunliches. Dennoch gibt es Leute, die sich damit nicht zufriedengeben, die nach neuen Wegen suchen für eine Elektronik der Zukunft. Einer von ihnen ist David Awschalom, Physikprofessor an der Universität Chicago.

"Die heutige Elektronik basiert darauf, Elektronen in Leiterbahnen hin und her zu bewegen. Doch zusätzlich besitzen Elektronen eine Eigenschaft, die wir bislang kaum nutzen - den Spin."

Wie ein Kreisel drehen sich Elektronen um sich selbst, entweder rechts oder links herum. Schon länger arbeiten Forscher daran, diesen Spin gezielt zu nutzen. Die Idee: Statt die Elektronen durch Leiterbahnen zu schieben, würde nur noch ihr Spin von Elektron zu Elektron weitergereicht, so wie ein Staffelholz. Chips auf dieser Basis sollten schneller rechnen können und sich weniger aufheizen, so das Kalkül.

"Wir fingen mit herkömmlichen Halbleitermaterialien an, wie sie heute in der Elektronik eingesetzt werden. Doch nun interessieren wir uns für eher ungewöhnliche Materialien. Besonders vielversprechend erscheint uns der Diamant."

Kein perfekter Diamantkristall

Und zwar eine spezielle Variante des Edelsteins: Kein perfekter Diamantkristall, sondern einer mit gezielten Macken: An manchen Stellen im Gitter fehlt ein Kohlenstoffatom, direkt daneben sitzt ein Stickstoffatom. In der Fehlstelle kann sich vereinfacht gesagt ein Elektron breitmachen. Und dessen Spin lässt sich mit Licht oder mit Mikrowellen gezielt beeinflussen, das heißt regelrecht programmieren.

"Das ist eine faszinierende Forschungsrichtung. Denn direkt neben diesem Elektron, dessen Spin wir ja gezielt kontrollieren können, sitzt immer ein Stickstoffatom. Dessen Kern besitzt nun ebenfalls einen Spin. Und wir haben gezeigt, dass man die im Elektronenspin gespeicherte Information auf den Kernspin übertragen kann."

Im Detail funktioniert das so: Zunächst richtet ein Lichtpuls den Elektronenspin aus. Dann schießen die Forscher ein spezielles Mikrowellensignal hinterher. Dieses sorgt dafür, dass sich Elektronenspin und Kernspin quasi synchronisieren. Jetzt kann die Information vom Elektron auf den Kern übergehen. Dann schalten die Forscher die Mikrowelle wieder ab, und die Information ist im Kern gespeichert.

"Kernspins sind sehr gut abgeschirmt von ihrer Umgebung. Denn ein Atomkern sitzt mitten im Atom und ist durch die Atomhülle gut geschützt. Die Folge: Ist eine Information erstmal im Kern gespeichert, bleibt sie für eine ganze Weile drin."

Millionen von Informationseinheiten

Wobei eine ganze Weile relativ ist - bislang klappt das nukleare Speicherspielchen nur für ein paar Stunden. Das Speichervermögen jedenfalls wäre extrem, zumindest theoretisch. Das hat David Awschalom schon mal durchgerechnet.

"In einem einzigen Atomkern könnte man eine enorme Menge an Daten speichern. Denn er kann nicht nur ein einzelnes Bit speichern, also 0 oder 1. Da sein Spin in verschiedene Richtungen zeigen kann, ließen sich im Prinzip Millionen von Informationseinheiten ablegen."

Damit würde ein Salzkörnchen genügen, um ganze Nationalbibliotheken abzuspeichern. Doch noch ist das reine Fantasterei, noch müssen die Forscher etliche Hürden nehmen: Die Speicherzeiten müssten viel länger sein, und statt nur einen Atomkern müsste man viele gleichzeitig ansteuern können. Und deshalb scheint das Kernspeicher-Konzept im Moment weniger für die Massenelektronik interessant als vielmehr für eine Nischenanwendung – die Entwicklung eines völlig neuen Rechnertyps, des Quantencomputers.

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