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Dienstag, 19.07.2016 / 11:23
Superspeicher - leider (noch) superlangsam
Alle Bücher der Welt auf der Grösse einer Briefmarke: Durchbruch bei Datenspeicherung mit einzelnen Atomen.
Dem Team der TU Delft ist es gelungen, einen atomaren Speicher für 1 Kilobyte Daten auf einem 96 x 126 Nanometer grossen Kupferstück herzustellen. Hier eine grafische Repräsentation der ersten 48 Blöcke mit je 64 Bit. (Grafik: TU Delft)
Daten, beziehungsweise Bits durch die spezifische Anordnung einzelner Atome zu speichern, ist ein für IT-Verhältnisse bereits alter Traum. Forscher haben nun einen Durchbruch erzielt. Es ist ihnen gelungen, Daten durch das Verschieben von Chloratomen auf einer Kupferoberfläche zu schreiben und wieder auszulesen. Dies ermöglicht eine 500 Mal höhere Datendichte, als andere aktuelle Speichermedien.
"Theoretisch würde es diese Speicherdichte erlauben, alle Bücher, die Menschen je geschaffen haben, auf eine einzelne Briefmarke zu schreiben", erklärte Studienleiter Sander Otte von der Technischen Universität in Delft (Niederlande). Lücken in einem Chloratomgitter auf einer Kupferoberfläche dienen demnach der Speicherung von Bits und Bytes. "Man kann es mit einem Schiebepuzzle vergleichen."
Als Würdigung für einen entscheidenden Visionär des Gebietes, den US-Physiker Richard
Feynman (1918-1988), schrieben die Forscher einen Teil eines berühmten Vortrages von 1959 auf ein nur 100 Nanometer (Millionstel Millimeter) breites Feld.
Feynmans Rede "There's Plenty of Room at the Bottom" (dt. etwa: Viel Spielraum nach unten) vom 29. Dezember 1959 ist legendär: Viele der vorgestellten Ideen wurden zur Grundlage nanotechnologischer Entwicklungen - darunter die Datenspeicherung auf atomarer Ebene.
Selbstständige Anordnung
In der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" beschreiben die Forscher um Otte ihr Vorgehen: Sie nutzten die Eigenschaft von Chloratomen, sich auf einer flachen Kupferoberfläche selbstständig zu einem zweidimensionalen Gitter anzuordnen.
Indem sie weniger Chloratome bereitstellten als für die komplette Bedeckung notwendig wären, schufen sie Lücken im Gitter, sogenannte Vakanzen. Aus einer Lücke und einem Chloratom setzten sie ein Bit zusammen, die kleinste Speichereinheit: In der Draufsicht bedeutet "Vakanz oben, Atom unten" eine Null; "Atom oben, Vakanz unten" heisst Eins.
Um Daten speichern zu können, müssen die Wissenschaftler die Atome bewegen. Das machen sie mit einem Rastertunnelmikroskop
. Bei dieser Technologie, die ursprüglich im IBM-Labor in Rüschlikon entwickelt wurde, wird durch eine sehr feine Messpitze und die elektrische Wechselwirkung dieser Spitze mit Atomen des Materials die atomare Struktur von Oberflächen abgetastet. Mit diesen "Mikroskopen" kann man aber auch Atome bewegen. IBM hat das schon 1989 vorgezeigt
.
Fliesst durch die genannte Messspitze ein Strom von etwa einem Mikro-Ampere, lässt sich damit ein Chloratom hin zu einer Lücke bewegen. Mittlerweile haben die Forscher den Prozess weitgehend automatisiert: Computergesteuert schiebt das Rastertunnelmikroskop die Atome so lange von Lücke zu Lücke, bis die Bit-Felder entstehen. Um das Chloratomgitter stabil zu halten, ist jedes Bit von Chloratomen begrenzt - die Bits liegen also nicht direkt nebeneinander.
Leider noch seeeehr langsam
Für die praktische Anwendung gibt es aber noch Hindernisse. Einerseits funktioniert das Verfahren nur bei einer Temperatur von minus 196 Grad Celsius. Und wohl noch entscheidender: Derzeit dauert das Auslesen eines 64-Bit-Blocks noch etwa eine Minute, das Schreiben sogar zwei Minuten. Das Wordfile, in das dieser Artikel ursprünglich geschrieben wurde, ist 16 Kilobyte gross. Es zu speichern würde damit nach unserer Rechnung rund 68 Stunden beanspruchen, es wieder zu laden 34 Stunden. Um eine 4,7-GB-DVD zu speichern müsste man sich über Tausend Jahre gedulden.
"Die alltägliche Speicherung von Daten auf atomarer Skala ist noch weit entfernt", räumt denn auch Otte ein. "Aber durch diesen Erfolg sind wir ihr auf jeden Fall einen grossen Schritt nähergekommen."
Das sieht Steven Erwin vom Naval Research Laboratory in Washington (USA) ähnlich. In einem Kommentar in "Nature Nanotechnology" schreibt er, dass unabhängig von den Komplikationen, die die Beschleunigung der Schreib- und Lesezeiten mit sich bringen werde, die Bedeutung der Errungenschaft beachtet werden solle. Dies sei "ein funktionierendes atomares Speichergerät hoher Dichte, das zumindest unsere Vorstellungen in Richtung des nächsten solchen Meilensteins stimulieren wird".
Übrigens: Auch in der Schweiz wird Grundlagenforschung für die Speicherung von Daten in atomaren Grössenordnung getrieben. Forschern von der ETH Lausanne
sowie der ETH Zürich und von IBM
ist es ein den letzten Jahren glelungen, einzelne Atome in Magnete zu verwandeln. Auch diese Technologie ist aber noch Jahre von einer praktischen Anwendbarkeit entfernt. (hjm/sda)