Kleiner, kleiner und noch kleiner: Festplatten-Hersteller erreichen durch Miniaturisierung der Bauteile immer höhere Speicherkapazitäten. Doch noch kleiner können die Strukturen der Platten bald nicht mehr werden, sagt Lukas Gerhard vom KIT, dem Karlsruher Institut für Technologie.
"Die Grenzen in der aktuellen Festplattenindustrie sind physikalischer Natur in dem Sinne, dass wenn ich bei Wahrung der Stabilität der einzelnen Bits - niemand möchte ja natürlich Festplatten haben, wo die Information verloren geht - weiter verkleinern möchte, dann heißt, dass ich die Materialien, aus denen ich diese Bits schreibe, magnetisch stabiler machen muss."
Der Forscher meint die Oberfläche der Datenträger. Dort werden die einzelnen Bits geschrieben, indem winzige Bereiche der Datenspuren parallel oder anti-parallel magnetisiert werden. Das erledigt ein Schreibkopf. Doch da der immer kleiner gefertigt wird, muss er mit einer höheren Leistung arbeiten.
"Allerdings kann ich die Magnetfelder, mit denen ich diese Bits schreibe in den Schreib- beziehungsweise auch Leseköpfen der Festplatten, nicht beliebig groß machen. Die sind derzeit schon sehr, sehr nahe an der möglichen Grenze Das heißt, wenn ich meine Bits mit der aktuellen Technologie weiter verkleinern würde, würde ich zwangsläufig an Stabilität verlieren."
Die Bits liegen alle in einer Datenspur. Und diese Spuren liegen immer enger beieinander. Dadurch kann es passieren, dass der Schreibkopf durch seine hohe Leistung nicht nur die gewünschte Datenspur, sondern auch die Bits der benachbarten Spuren magnetisiert. In der Folge würden Informationen zwar vielleicht noch auf die Festplatten geschrieben werden, aber sie wären nicht besonders lange haltbar.
"Die Hauptsache ist, dass die Informationen, die ich auf die Festplatte geschrieben habe, auch wenn ich es schaffe, die richtig fehlerfrei zu schreiben, würde zum Beispiel innerhalb von einem Jahr verloren gehen. Das heißt, ich kann einfach Dateien, die ich vor einem Jahr geschrieben habe, nicht mehr lesen."
Die technischen Möglichkeiten, um dem Dilemma zu entkommen, sind mehr oder weniger ausgeschöpft. Deswegen haben die Forscher aus Karlsruhe sich mit Kollegen von der Universität Halle und dem dortigen Max Planck Institut vernetzt und sind einer neuen Idee nachgegangen. Sie wollen die magnetisch abgelegten Informationen künftig mithilfe eines elektrischen Feldes schreiben.
"Was wir untersucht haben, das sind zwei Atomlagen dicke Eiseninseln auf einem Kupfersubstrat und wir haben versucht, die magnetische Ordnung in diesen zwei Atomlagen dicken Eiseninseln mit einem elektrischen Feld zu ändern. Zum Einen haben wir dazu theoretische Berechnungen angestellt. Das haben die Kollegen in Halle gemacht, und wir haben diese Objekte in Wirklichkeit mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht."
Die Forscher nutzen dabei die sogenannte magneto-elektrische Kopplung. Dieser Effekt konnte in den bisher verwendeten Materialien nicht genutzt werden. Sie waren schlicht zu dick. Nun haben die Wissenschaftler jedoch entdeckt, dass der Effekt in den nur wenigen Nanometer großen Eiseninseln auftritt. Die sind nur zwei Atomlagen dick.
"Wir haben es geschafft, zum Einen in Rechnungen zu zeigen, zum Anderen experimentell zu messen, dass wenn wir ein elektrisches Feld anlegen, dass heißt, diese zwei Atomlagen Eisen in ein elektrisches Feld bringen, dass je nach Polarität des elektrischen Feldes der eine oder der andere Zustand angenommen wird. Und wenn wir kein elektrisches Feld anlegen, bleibt der Zustand stabil. Das heißt, unsere Information ist magnetischer Natur. Das heißt, diese beiden Zustände, wenn man so will, die Null und die Eins in den Bits, das ist der parallel magnetisierte Zustand und das andere ist der anti-parallel magnetisierte Zustand. Und mit dem elektrischen Feld können wir eben diese Information schreiben."
Legen die Forscher ein positives elektrisches Feld an das Material an, passiert fast das gleiche, was der Schreibkopf bei einer Festplatte macht: Die Bits werden magnetisiert, die Information wird geschrieben.
"Das heißt, die Speicherung ist magnetischer Natur und das Schreiben passiert aber mit einem elektrischen Feld und nicht mehr mit einem magnetischen Feld. Das heißt, wir haben diese Grenze, die es in der aktuellen Festplattentechnologie gibt, die haben wir ganz einfach umgangen."
Ein Durchbruch auf theoretischer und experimenteller Ebene. Innerhalb der nächsten Jahre nun wollen die Forscher den Effekt technisch nutzbar machen und ihn auch in die Massenproduktion bringen. Gelingt ihnen das, wären steigende Speicherkapazitäten auch in den kommenden Jahrzehnten sicher.
"Die Grenzen in der aktuellen Festplattenindustrie sind physikalischer Natur in dem Sinne, dass wenn ich bei Wahrung der Stabilität der einzelnen Bits - niemand möchte ja natürlich Festplatten haben, wo die Information verloren geht - weiter verkleinern möchte, dann heißt, dass ich die Materialien, aus denen ich diese Bits schreibe, magnetisch stabiler machen muss."
Der Forscher meint die Oberfläche der Datenträger. Dort werden die einzelnen Bits geschrieben, indem winzige Bereiche der Datenspuren parallel oder anti-parallel magnetisiert werden. Das erledigt ein Schreibkopf. Doch da der immer kleiner gefertigt wird, muss er mit einer höheren Leistung arbeiten.
"Allerdings kann ich die Magnetfelder, mit denen ich diese Bits schreibe in den Schreib- beziehungsweise auch Leseköpfen der Festplatten, nicht beliebig groß machen. Die sind derzeit schon sehr, sehr nahe an der möglichen Grenze Das heißt, wenn ich meine Bits mit der aktuellen Technologie weiter verkleinern würde, würde ich zwangsläufig an Stabilität verlieren."
Die Bits liegen alle in einer Datenspur. Und diese Spuren liegen immer enger beieinander. Dadurch kann es passieren, dass der Schreibkopf durch seine hohe Leistung nicht nur die gewünschte Datenspur, sondern auch die Bits der benachbarten Spuren magnetisiert. In der Folge würden Informationen zwar vielleicht noch auf die Festplatten geschrieben werden, aber sie wären nicht besonders lange haltbar.
"Die Hauptsache ist, dass die Informationen, die ich auf die Festplatte geschrieben habe, auch wenn ich es schaffe, die richtig fehlerfrei zu schreiben, würde zum Beispiel innerhalb von einem Jahr verloren gehen. Das heißt, ich kann einfach Dateien, die ich vor einem Jahr geschrieben habe, nicht mehr lesen."
Die technischen Möglichkeiten, um dem Dilemma zu entkommen, sind mehr oder weniger ausgeschöpft. Deswegen haben die Forscher aus Karlsruhe sich mit Kollegen von der Universität Halle und dem dortigen Max Planck Institut vernetzt und sind einer neuen Idee nachgegangen. Sie wollen die magnetisch abgelegten Informationen künftig mithilfe eines elektrischen Feldes schreiben.
"Was wir untersucht haben, das sind zwei Atomlagen dicke Eiseninseln auf einem Kupfersubstrat und wir haben versucht, die magnetische Ordnung in diesen zwei Atomlagen dicken Eiseninseln mit einem elektrischen Feld zu ändern. Zum Einen haben wir dazu theoretische Berechnungen angestellt. Das haben die Kollegen in Halle gemacht, und wir haben diese Objekte in Wirklichkeit mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht."
Die Forscher nutzen dabei die sogenannte magneto-elektrische Kopplung. Dieser Effekt konnte in den bisher verwendeten Materialien nicht genutzt werden. Sie waren schlicht zu dick. Nun haben die Wissenschaftler jedoch entdeckt, dass der Effekt in den nur wenigen Nanometer großen Eiseninseln auftritt. Die sind nur zwei Atomlagen dick.
"Wir haben es geschafft, zum Einen in Rechnungen zu zeigen, zum Anderen experimentell zu messen, dass wenn wir ein elektrisches Feld anlegen, dass heißt, diese zwei Atomlagen Eisen in ein elektrisches Feld bringen, dass je nach Polarität des elektrischen Feldes der eine oder der andere Zustand angenommen wird. Und wenn wir kein elektrisches Feld anlegen, bleibt der Zustand stabil. Das heißt, unsere Information ist magnetischer Natur. Das heißt, diese beiden Zustände, wenn man so will, die Null und die Eins in den Bits, das ist der parallel magnetisierte Zustand und das andere ist der anti-parallel magnetisierte Zustand. Und mit dem elektrischen Feld können wir eben diese Information schreiben."
Legen die Forscher ein positives elektrisches Feld an das Material an, passiert fast das gleiche, was der Schreibkopf bei einer Festplatte macht: Die Bits werden magnetisiert, die Information wird geschrieben.
"Das heißt, die Speicherung ist magnetischer Natur und das Schreiben passiert aber mit einem elektrischen Feld und nicht mehr mit einem magnetischen Feld. Das heißt, wir haben diese Grenze, die es in der aktuellen Festplattentechnologie gibt, die haben wir ganz einfach umgangen."
Ein Durchbruch auf theoretischer und experimenteller Ebene. Innerhalb der nächsten Jahre nun wollen die Forscher den Effekt technisch nutzbar machen und ihn auch in die Massenproduktion bringen. Gelingt ihnen das, wären steigende Speicherkapazitäten auch in den kommenden Jahrzehnten sicher.