News : Forscher des KIT speichern ein Bit mit einem Atom

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Forschern des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gemeinsam mit Kollegen aus Halle gelungen, das magnetische Moment einzelner Atome über 10 Minuten stabil zu halten. Sie sehen die Forschungsergebnisse als wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von hoch kompakten Datenspeichern und Quantencomputern.

Laut Wulf Wulfhekel vom KIT können einzeln auf einer Unterlage fixierte Atome ihr magnetisches Moment nur für etwa 200 Nanosekunden stabil halten, da sie sehr empfindlich auf Störungen reagieren. Die Verlängerung dieser Zeitspanne auf über 10 Minuten entspricht daher einer Steigerung um ungefähr den Faktor eine Milliarde.

Um eine höhere Stabilität zu erreichen und störende Einflüsse der Umgebung zu minimieren, fixierten die Forscher ein Holmium-Atom bei Temperaturen von ungefähr 1 Grad Kelvin, also nahe des absoluten Nullpunkts, auf einer Platinunterlage. Dabei kam ein neuartiges Rastertunnelmikroskop mit einer speziellen Kühlung für derart niedrige Temperaturen zum Einsatz, mit dessen feiner Spitze die magnetische Ausrichtung der einzelnen Atome sich über einen längeren Zeitraum vibrationsarm messen ließ.

Mittels eines Rastertunnelmikroskops werden einzelne Holmiumatome auf einer Platinoberfläche sichtbar.
Mittels eines Rastertunnelmikroskops werden einzelne Holmiumatome auf einer Platinoberfläche sichtbar. (Bild: KIT/T. Miyamachi)

Zur Stabilität des magnetischen Spins tragen laut Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der theoretische Rechnungen für das Experiment beigesteuert hat, die Symmetrieeigenschaften des Quantensystems von Holmium und Platin bei niedriger Temperatur bei. Im Bezug auf die Spinstreuung seien sie füreinander im Grunde unsichtbar, während normalerweise die Elektronen von Atom und Unterlage quantenmechanisch interagieren und so den Spin destabilisieren. Um in einem potenziellen Datenspeicher den Spin des Atoms einzustellen, d. h. Daten zu schreiben, ließen sich externe Magnetfelder anlegen. Von einer praktischen Anwendung in der Praxis ist der Ansatz der Forscher aus Karlsruhe und Halle allerdings noch weit entfernt.

Bei heutigen Festplatten werden noch rund eine Million Atome benötigt, um ein Bit über Jahre stabil halten zu können. In der Forschung ist man jedoch schon etwas weiter. IBM demonstrierte Anfang vergangenen Jahres, dass es möglich ist magnetische Bits aus zwölf Eisenatomen zu bauen, die ihre Informationen über mehrere Stunden vorhalten konnten. Von einer praktischen Umsetzung ist aber auch in diesem Fall in näherer Zukunft nicht auszugehen.

Unter Beteiligung von Forschern des KIT wurde zudem im Vergangenen Jahr ein weiterer Ansatz mit Spin-Crossover-Molekülen gezeigt, bei dem organische Moleküle mit Eisenkernen als magnetische Bits genutzt werden. Die Moleküle dienen dabei als Schutzschild für die Eisenatome, um diese von äußeren Einflüssen abzuschirmen.

Die aktuellen Forschungsergebnisse der Forscher aus Karlsruhe und Halle wurden unter dem Titel „Stabilizing the magnetic moment of single Holmium atoms by symmetry“ (DOI: 10.1038/nature12759) in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.