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StartseiteForschung aktuellPolumkehr durch Hitze08.02.2012

Polumkehr durch Hitze

Neuer physikalischer Effekt soll Datenspeicherung revolutionieren

Am Schweizer Paul Scherrer Institut ist es einer internationalen Forschergruppe gelungen, die Magnetisierung von Speichermedien mithilfe von Laserimpulsen zu ändern. Das Verfahren ist viel schneller als das übliche Umschalten durch ein externes Magnetfeld und benötigt weniger Energie.

Von Sabine Goldhahn

Die PSI-Forscher Frithjof Nolting (links) und Loïc Le Guyader am Röntgenmikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz, an dem die magnetischen Strukturen des untersuchten Materials sichtbar gemacht wurden. (Paul Scherrer Institut/M. Fischer)
Die PSI-Forscher Frithjof Nolting (links) und Loïc Le Guyader am Röntgenmikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz, an dem die magnetischen Strukturen des untersuchten Materials sichtbar gemacht wurden. (Paul Scherrer Institut/M. Fischer)
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Paul Scherrer Institut: Mit Hitze Daten speichern

Die Grundlage jeder Datenspeicherung auf Festplatten ist Magnetismus. Denn Magnete haben eine klare Ausrichtung mit zwei gegensätzlichen Polaritäten. Am Kompass kennt man diese Ausrichtung als Nord und Süd, in der Informatik als Null und Eins. Jedes Bit auf einer Festplatte ist ein winziger Magnet, der entweder in die eine oder in die andere Richtung zeigt und damit entweder die Information Null oder Eins enthält und speichert. So lange, bis er umgepolt wird. Frithjof Nolting, Physiker am Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen:

"Bisher benutzt man halt einen anderen Magneten oder ein Magnetfeld, um diese Magnetisierungsrichtung zu ändern. Dort stößt man aber so langsam an Grenzen. Denn damit ich die Information immer dichter schreiben kann, also immer mehr Information abspeichern kann, muss dieser Magnet immer kleiner werden. Wenn dieser Magnet immer kleiner wird, dann ändert der von alleine seine Richtung. Das ist ein Problem."

Um das zu verhindern, müssen die kleinen Magneten immer stabiler werden. Dafür bräuchte man ein immer stärkeres Magnetfeld. Oder eine völlig neue Idee. Die hatten Nolting und seine Kollegen - und nahmen statt eines Magnetfeldes die Energie eines Lasers und nutzten einen anderen Magneteffekt.

"Wir haben jetzt nicht mehr diesen einen Magneten, sondern wir haben zwei Magnete, die zusammengekoppelt sind."

Zur Anschauung hält der Physiker in jeder Hand einen daumengroßen grau glänzenden Magneten, die sogenannten Ferrimagneten. Das Besondere an ihnen: Sie haben so unterschiedliche physikalische Eigenschaften, dass zwischen ihren Atomen auch andere Bindungskräfte wirken als in den bisher üblichen ferromagnetischen Speichern.

"Wir nehmen jetzt einen sehr, sehr schnellen Laserpuls, der ist nur 50 Femtosekunden lang, also unheimlich kurz, der bricht diese Bindung auf, dann geht das System in einen angeregten Zustand über und dann zerfällt es wieder in einen anderen Zustand und hat jetzt die Magnetisierungsrichtung geändert. Und das ist das faszinierende Neue an unserer Entdeckung: Man braucht kein Magnetfeld, um einen Magneten zu schalten."

Der Laserpuls erzeugt eine Temperatur von ungefähr 1000 Grad. Das ist selbst dem Magneten zu heiß und er wird kurzzeitig aus dem Gleichgewicht gebracht. Der Vorgang läuft so schnell ab, dass man äußerlich überhaupt nichts merkt. Man sieht nur beim Abkühlen, dass der Magnet in eine andere Richtung zeigt. Diese neue Ausrichtung ist jetzt stabil und kann damit eine bestimmte Information dauerhaft behalten. Der Laser macht die Technologie sogar tausendmal schneller als alle anderen Verfahren, mit denen man heute Informationen auf Festplatten schreibt. Das macht die Entdeckung so interessant für die Datenspeicherung. Dennoch wird es noch eine Weile dauern, bis das System marktreif ist. Der Physiker denkt daher erst an die übernächste Generation der Festplattenspeicher.

"Die nächste Festplattengeneration, die steht auch schon vor der Tür. Dort sind die Laser dann im Einsatz, um es einfach nur zu erleichtern, mittels eines Magnetfeldes die Information zu speichern. Mit unserem Konzept könnte man komplett auf dieses Magnetfeld zum Schreiben verzichten. Dadurch könnte der Prozess viel, viel schneller sein, und potenziell hat es auch die Möglichkeit, dass es weniger Energie verbraucht","

erklärt Nolting. Somit könnte man auch auf den Schreibkopf im Computer verzichten. Dessen Arbeit würde der ultraschnelle Laser übernehmen. In anderen neueren Verfahren wie etwa der elektrisch beschreibbaren Festplatte oder dem Flashspeicher sieht der Physiker mit Blick auf die Geschwindigkeit daher auch keine Konkurrenz. Denn sie benötigen noch in irgendeiner Form einen elektrischen oder magnetischen Puls zum Schreiben, der nie so schnell sein wird wie ein Laserpuls.

""Das Entscheidende von unserer Arbeit ist gar nicht mal so sehr die Datenspeicherung als solches, sondern wir haben da einen fundamentalen neuen Physikeffekt entdeckt, bisher hat man nicht gedacht, dass man nur durch einen reinen Laserpuls die Magnetisierung gezielt umändern kann. Wir haben aber jetzt mit unseren Arbeiten gezeigt, an bestimmten Systemen geht es, das ist eine fundamentale wichtige Entdeckung."

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