Kompakte Datenspeicherung mit Batman

Computerfestplatten speichern Daten magnetisch. Um immer größere Datenmengen auf immer kleineren Festplatten unterzubringen, versuchen Forscher und Entwickler, die tatsächliche Größe der magnetischen Bits und Bytes stetig weiter zu verkleinern. Forscher am Paul-Scherrer-Institut setzen hierfür auf die Kombination aus einer mikro-strukturierten Oberfläche und einem Laserstrahl. Die Oberfläche besteht aus einer regelmäßigen Anordnung winziger Quadrate aus einem magnetischen Material. In den verschiedenen Versuchen des Teams hatten diese Quadrate eine Kantenlänge zwischen einem und fünf tausendstel Millimetern. Jedes Quadrat oder sogar ein Teilbereich desselben ist für sich ein winziger Magnet und könnte deshalb als Speicher-Bit dienen. Der zweite Teil des unkonventionellen Ansatzes ist, die magnetische Richtung der Quadrate mit einem Laserstrahl gezielt umzudrehen. In heutigen Festplatten erfolgen die magnetische Schaltung und damit die Datenspeicherung mit einem kleinen Magnetkopf, der ähnlich wie die Nadel einer Schallplatte über die Festplatte fährt.

Die Forscher am PSI arbeiten in diesem Projekt mit Kollegen aus den Niederlanden, Deutschland und Japan zusammen. Bereits vor zwei Jahren konnte die Gruppe zeigen, dass ein kurzer, intensiver Laserpuls Mikro-Magnete mehrere hundert Mal schneller schalten kann als ein Magnetkopf. Der Laser ist dabei auch noch energieärmer und damit kostengünstiger. Der Clou ist offenbar, dass das Laserlicht die winzigen Magnete sehr schnell aufheizt und sie dadurch in den jeweils anderen Zustand überführen kann. „Die magnetische Schaltung mit Licht funktioniert eindeutig. Aber warum genau sie funktioniert, das ist in der Forschergemeinde noch umstritten“, erklärt Frithjof Nolting, der Leiter der Studie.

Für ein besseres Verständnis des magnetischen Umklappvorgangs entwickelten die Wissenschaftler nun eine zeitaufgelöste Messung, mit der sie die extrem schnellen Änderungen Schritt für Schritt betrachten können. Dafür nutzten sie die Röntgenstrahlung der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Dem Team gelang eine Reihe von Momentaufnahmen, die zeitlich nur 70 billionstel Sekunden auseinanderliegen. Ihre Bildrate pro Sekunde ist damit beinahe 600 Millionen Mal so hoch wie diejenige von Kinofilmen. In ihrer Aufnahmereihe konnten die Wissenschaftler beobachten, wie die Richtung der Magnetisierung wechselt, das heißt, wie sich die winzigen Magnete umdrehen.

Ihre verblüffende Beobachtung: Obwohl die magnetischen Quadrate so klein sind, dass der verwendete Laserpuls viele Quadrate gleichzeitig bestrahlt, drehte sich die Magnetisierung nicht flächendeckend um. Stattdessen bildeten sich innerhalb der beleuchteten Quadrate Substrukturen heraus. Die Bildgebung der Forscher zeigte dabei die eine Magnetisierungsrichtung schwarz, die andere weiß. Als die Wissenschaftler des Teams Quadrate mit einer Kantenlänge von fünf Mikrometern betrachteten, sahen sie eine besonders skurrile magnetische Substruktur: Plötzlich erschien schwarz auf weißem Grund ein winziges Batman-Logo. Die Forscher sehen hierin jedoch weder eine geheime Comic-Botschaft noch ein Problem, sondern eine Chance. Sie erklären die Batman-Figur durch die Effekte von Brechung und Interferenz des Laserlichts – kurz: der Wechselwirkung des Lichts mit den Mikro-Quadraten. In einzelnen Bereichen der Quadrate wurde dadurch mehr Laserlicht absorbiert als in anderen. Nur dort fand deshalb die magnetische Schaltung statt. „Wir haben da eine faszinierende Wechselwirkung entdeckt“, fasst Nolting zusammen.

Durch anders geformte Magnete ließen sich demnach auch andere Figuren als das Batman-Logo erzeugen. Damit wiederum ließe sich nicht nur jeder Kleinstmagnet, sondern sogar nur ein Teil davon als einzelnes, beschreibbares Computer-Bit verwenden. Doch nicht nur in der winzigen Größe der Substrukturen, auch in der Geschwindigkeit des magnetischen Schaltungsprozesses haben die Forschenden beachtliche Werte gemessen: Dank der Licht-Schaltung läuft dieser Prozess enorm schnell ab und ist in weniger als 100 billionstel Sekunden abgeschlossen. Kleiner und schneller – dazu gehören eine geringe Größe der Speicherbits und eine hohe magnetische Schaltgeschwindigkeit –, das sind die beiden Merkmale, die in der Festplattenindustrie zählen. Die Forscher am PSI könnten den Ingenieuren einen Weg für zukünftige Entwicklungen aufgezeigt haben.

PSI / RK