Der Traum aller Forscher im Datenspeicherbereich: ein Atom – ein Bit. Dorthin ist es noch ein weiter Weg. Aber: Auf dem Weg in Richtung Ein-Atom-Bit gelang Forschern des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) jetzt ein wegweisender Schritt.

Nach dem Bauprinzip »ein Atom – ein Bit« würde man die magnetischen Datenspeicher der Zukunft gerne aufbauen. Heutzutage braucht man einen Verbund von mehreren Millionen Atomen, damit ein magnetisches Bit so stabil ist, dass Festplattendaten über Jahre sicher sind. Nun konnten Forscher des KIT einen großen Schritt in Richtung Ein-Atom-Bit machen: Sie haben ein einzelnes Atom auf einer Oberfläche so fixiert, dass der magnetische Spin über zehn Minuten stabil blieb, wie sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins »Nature« berichten. (DOI 10.1038/nature12759)

Ein Quantensprung: statt 200 Nanosekunden nun zehn Minuten Speicherzeit

»Ein einzelnes Atom, fixiert auf einer Unterlage, ist meist so empfindlich, dass es nur Bruchteile einer Mikrosekunde (200 Nanosekunden) seine magnetische Ausrichtung beibehält«, erklärt Forschungsleiter Wulf Wulfhekel vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Zusammen mit Kollegen aus Halle hat er es nun geschafft, diese Zeit um einen Faktor von etwa einer Milliarde auf mehrere Minuten zu verlängern.

»Dies öffnet nicht nur das Tor zu dichteren Computerspeichern, sondern könnte auch für den Aufbau von Quantencomputern einen Grundstein legen«, sagt Wulfhekel. Quantencomputer basieren auf den quantenphysikalischen Eigenschaften von atomaren Systemen und könnten zumindest in der Theorie einen exponentiellen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Computern besitzen.

Experiment bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt

In dem aktuellen Experiment setzten die Forscher ein einzelnes Holmium-Atom auf eine Platinunterlage. Bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt, bei ca. 1 Grad Kelvin, vermaßen sie die magnetische Ausrichtung des Atoms mittels der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Überraschung: Der magnetische Spin sprang erst nach ca. zehn Minuten um.

»Das System hält seinen einmal eingestellten magnetischen Spin somit rund eine Milliarde mal länger als vergleichbare atomare Systeme«, freut sich Wulfhekel. Für das Experiment wurde ein neuartiges Rastertunnelmikroskop des KIT genutzt. Dank einer speziellen Kühlung für den Temperaturbereich nahe dem absoluten Nullpunkt ist es vibrationsarm und erlaubt lange Messzeiten.

Externe Magnetfelder können den Spin von Holmium einstellen

»Um die Spin-Umklapp-Zeiten zu verlängern, haben wir den störenden Einfluss der Umgebung für das Atom ausgeblendet«, erklärt Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der theoretische Rechnungen für das Experiment beigetragen hat. Normalerweise stoßen die Elektronen der Unterlage und des Atoms rege quantenmechanisch miteinander und destabilisieren den Spin des Atoms in Mikrosekunden oder schneller aus dem Grundzustand.

Im Fall von Holmium und Platin bei tiefen Temperaturen werden störende Wechselwirkungen durch die Symmetrieeigenschaften des vorliegenden Quantensystems ausgeschaltet. »Im Grunde sind Holmium und Platin füreinander im Bezug auf Spinstreuung unsichtbar«, erläutert Ernst. Mittels externer Magnetfelder ließen sich der Spin des Holmiums aber noch einstellen, und so Informationen schreiben. Damit wären die Grundlagen für die Entwicklung kompakter Datenspeicher oder Quantencomputer gelegt.

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