Mit Hitze Daten schneller auf Festplatten speichern

11. Februar 2012, 20:42
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Laserpuls ändert die Magnetisierung von Speichermedien mit weniger Energie als ein externes Magnetfeld

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Weg gefunden, um Daten auf magnetischen Medien zu speichern. Dabei verwenden die Wissenschafter kein externes Magnetfeld, sondern setzten stattdessen auf einen Hitzepuls. Das Verfahren wäre viele hundert mal schneller als Technologien, die in heutigen Festplatten genutzt werden und hat das Potenzial, deutlich weniger Energie zu verbrauchen.

Die am Projekt beteiligten Forscher stammen aus Großbritannien, Spanien, der Schweiz, der Ukraine, Russland, Japan und den Niederlanden. Mit dem Einsatz moderner lithografischer Verfahren und hochmoderner Röntgenmikrokopie haben Wissenschafter des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen in der Schweiz wesentlich zu dem Ergebnis beigetragen. Über ihre Arbeit berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Online-Journals "Nature Communications".

Es geht auch ohne Magnetfeld

Jeder, der die anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen Magneten erfahren hat, weiß dass Magnete einen Nord- und einen Südpol haben und dass gleiche Pole einander abstoßen während entgegengesetzte Pole einander anziehen. Derartige Magnete, bloß wesentlich kleiner als diejenigen, die wir aus dem Alltag kennen, werden in moderner Speichertechnologie genutzt, wie sie etwa in Computerfestplatten eingesetzt wird. In dieser Technik werden einzelne Bits (die kleinste Informationseinheit, mit nur den zwei Werten "0" oder "1") in der Ausrichtung wenige Nanometer großer Magnete gespeichert.

Bislang hat man gedacht, dass man ein externes Magnetfeld braucht, um ein Bit zu speichern, also die Ausrichtung eines solchen Nanomagneten umzukehren. So nutzen moderne Festplattenlaufwerke ein magnetisches Feld von rund einem Tesla (etwa 20.000 mal die Stärke des Erdmagnetfelds), das erlaubt, ein Bit innerhalb einiger Nanosekunden (1 Nanosekunde = 10-9 Sekunden) zu speichern. Dabei ist es technologisch sehr schwierig große Magnetfelder schnell in einem kleinen Bereich zu schalten

Mit Hitze schneller speichern

Indem sie sich die deutlich stärkeren inneren Kräfte des magnetischen Materials zu Nutze machten, konnten die Mitglieder eines multinationalen Forschungsteams nun zeigen, wie man die Ausrichtung der Magnete ändern kann, ohne ein Magnetfeld zu verwenden. Statt eines Magnetfelds haben sie einen Hitzepuls aus einem Laser genutzt. Jeder der Nanomagnete in dem Material besteht selbst aus winzigen elementaren Magneten - den Spins, die durch die so genannte Austauschwechselwirkung miteinander gekoppelt sind. Diese innere Kraft richtet die Spins in einem Material in eine gemeinsame Richtung aus, so dass das ganze Material "magnetisch" wird. Dabei hatte man bislang immer gedacht, dass Hitze eine solche magnetische Ordnung nur zerstören kann.

Nun wurde aber deutlich, dass wenn man das Material mit einem extrem kurzen Laserblitz (0,1 Pikosekunden) aufheizt, der Nanomagnet zwar zunächst aus dem Gleichgewicht gebracht und in einen Zustand versetzt wird, der weder "0" noch "1" entspricht. Dann zwingen aber die Kräfte in seinem Inneren, die durch die Austauschwechselwirkung bestimmt werden, den Magneten in einen der beiden Gleichgewichtszustände - "0" oder "1". "Dieses Verfahren macht es möglich, Tausende von Gigabytes pro Sekunde zu speichern - das ist viele hundert Mal mehr als mit heutigen Technologien. Und da man auch kein Magnetfeld benötigt, verbraucht man auch weniger Energie", so Thomas Ostler von der Universität York, der mit Hilfe von Computersimulationen vorausgesagt hat, wie ein Laserblitz auf einen Magneten wirkt und dabei Erstaunliches gezeigt hat.

Grundlage für neue Speichertechnologien

Experimentell nachgewiesen wurde der Effekt an der Universität Nijmegen mit Hilfe magneto-optischer Mikroskopie an dünnen Schichten und am Paul Scherrer Institut an mikrometergroßen Strukturen, die hier mit einem lithographischen Verfahren im Labor für Mikro und Nanotechnologie hergestellt und anschließend mit Röntgenmikroskopie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI untersucht wurden. "Das Synchrotronlicht, das an der SLS erzeugt wird, erlaubt uns, das Verhalten von sehr kleinen Magneten zu verfolgen. Damit konnten wir auch den Einfluss eines kurzen Laserpulses auf einzelne Magnete beobachten", erklärt Frithjof Nolting, Leiter der Arbeitsgruppe Magnetismus und Mikroskopie am PSI. Die Wissenschafter sind überzeugt, dass das Verfahren die Grundlage für neue effizientere Speichertechnologien werden könnte. (red)

  • Die PSI-Forscher Frithjof Nolting (links) und Loïc Le Guyader am 
Röntgenmikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz. Noch ist der technische Aufwand für die neue Speichermethode enorm, in Zukunft könnte das Verfahren jedoch die Grundlage für neue effizientere Speichertechnologien werden, sind die Forscher überzeugt.
    foto: paul scherrer institut/m. fischer

    Die PSI-Forscher Frithjof Nolting (links) und Loïc Le Guyader am Röntgenmikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz. Noch ist der technische Aufwand für die neue Speichermethode enorm, in Zukunft könnte das Verfahren jedoch die Grundlage für neue effizientere Speichertechnologien werden, sind die Forscher überzeugt.

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