News : Petabyte-HDDs dank neuer Speichertechnik?

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Forscher der Max-Planck-Gesellschaft haben die Grundlagen für eine neue Speichertechnik entwickelt, mit der sich in Zukunft Festplatten mit einer Kapazität im Petabyte-Bereich realisieren lassen könnten. Durch die sogenannte magneto-elektrische Kopplung könnte die Datendichte im Idealfall um das 400fache steigen.

Der Trick ist die Methode, mit der die Daten geschrieben und ausgelesen werden. Bei aktuellen Festplatten werden zu diesem Zweck Magnetfelder genutzt. Dies ändert sich auch bei potenziellen Weiterentwicklungen wie dem Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR), bei dem die Oberfläche des Datenträgers in einem wenige Nanometer großen Bereich vor dem Schreiben mit einem winzigen Laser erhitzt und erweicht wird, und neuen Ansätzen zur Nutzung des Tunneleffektes nicht grundlegend. Zwar werden die Bits physikalisch immer kleiner, doch irgendwann ist die Grenze des Möglichen erreicht, so dass auf diese Weise vermutlich bei der Datendichte keine sehr großen Sprünge mehr zu erwarten sind.

Theoretische Vorarbeit an Großrechnern

Als Alternative kommt nun die magneto-elektrische Kopplung ins Spiel, bei der die magnetische Information nicht durch ein Magnetfeld sondern durch das Anlegen eines elektrischen Feldes geschrieben wird. Die theoretische Vorarbeit dazu leisteten Forschern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle unter anderem an Großrechnern in den Rechenzentren in Jülich und Garching. Der Effekt ist bisher vor allem in Isolatoren mit komplexer Struktur beobachtet worden und tritt in gewöhnlichen Materialien auch nicht auf, da das elektrische Feld an ihrer Oberfläche eine Ladung induziert, die das elektrische Feld abschirmt.

Hat man jedoch lediglich eine nanoskopische Schicht eines magnetischen Metalls – in diesem Fall eine Schicht aus zwei Lagen Eisenatomen, die eine Kupferoberfläche überziehen –, ändert das elektrische Feld aufgrund eben dieser Oberflächenladung die magnetische Ordnung, wie Berechnungen der Forscher ergaben. Diese Ladung erstreckt sich typischerweise nur über eine Atomlage und besteht aus negativ geladenen Elektronen sowie positiv geladenen Atomrümpfen, die durch das elektrische Feld leicht verschoben werden. Je nach Richtung des elektrischen Feldes verkleinert oder vergrößert sich dabei der Abstand zwischen den Atomen der beiden obersten Atomlagen um wenige milliardstel Millimeter (Pikometer). Diese Verschiebung reicht bereits aus, um die magnetische Ordnung in Eisen zwischen ferromagnetisch und antiferromagnetisch zu schalten.

Experimentelle Umsetzung durch das Karlsruher Institut für Technologie

Auf Basis dieser theoretischen Vorarbeit setzten Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) das Modellsystem mit zwei Lagen Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche experimentell um. Dazu verwendeten sie ein Rastertunnelmikroskop, das sowohl die Abbildung metallischer Oberflächen ermöglicht als auch das extrem starke elektrische Feld mit einer Feldstärke von einer Milliarde Volt pro Meter erzeugen kann. Entsprechend der theoretischen Berechnungen konnten die Forscher auch im Experiment mit Hilfe des lokalen elektrischen Feldes unter der feinen Spitze des Rastertunnelmikroskops auf einer Fläche von gerade mal zwei Nanometer Länge und einem Nanometer Breite magnetische Bits schreiben.

Zwei rastertunnelmikroskopische Aufnahmen derselben Eiseninsel vor und nach dem Schreiben mit einem elektrischen Feld: Links dominiert der antiferromagnetische Bereich (blau), rechts, nach dem Feldpuls, der ferromagnetische Bereich (gelb).
Zwei rastertunnelmikroskopische Aufnahmen derselben Eiseninsel vor und nach dem Schreiben mit einem elektrischen Feld: Links dominiert der antiferromagnetische Bereich (blau), rechts, nach dem Feldpuls, der ferromagnetische Bereich (gelb).

Kommerzielle Produkte lassen noch auf sich warten

Das Verfahren eignet sich also prinzipiell zur Nutzung in Speichergeräten. Diese könnten eine 400 Mal höhere Datendichte erreichen, als es bei aktuellen Festplatten möglich ist. Nimmt man die aktuell größten Festplatten mit 3 TB Speicherkapazität als Basis, könnten sich eines Tages Festplatten mit einer Kapazität von über einem Petabyte realisieren lassen. Da es sich bei dem von den Forschern durchgeführten Experiment um Grundlagenforschung handelt, sind jedoch noch einige Hürden zu überwinden, bis kommerzielle Produkte auf den Markt kommen können.

Die bisherigen Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel Magnetoelectric coupling at metal surfaces vorab online bei Nature Nanotechnology veröffentlicht.