Atomisierte Datenspeicherung

Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt des etwa 100 Nanometer großen Datenträgers, auf dem Text "atomar" codiert ist. Credit: TU Delft/Ottelab

So platzsparend wie möglich – so heißt die Devise bei der Entwicklung von digitalen Speichersystemen. Diese Minimalisierung haben Forschern nun auf die Spitze getrieben: Sie haben den Prototyp eines Speichersystems entwickelt, bei dem die Position eines einzelnen Chloratoms die Information von 0 oder 1 des Binärcodes repräsentiert. Die erreichte Daten-Dichte übertrifft alle momentan verfügbaren Speichersysteme bei weitem. Theoretisch wäre es damit möglich, alle Bücher der Menschheit auf einer Briefmarke abzuspeichern. Bis zur Marktreife des Systems sind allerdings noch Hürden zu überwinden.

Jeden Tag erzeugt die moderne Gesellschaft mehr als eine Milliarde Gigabyte an neuen Daten. Um diese Informationsmassen zu speichern, sind enorme Ressourcen nötig. Bisher umfassen die kleinsten Untereinheiten von Speichersystemen immer noch tausende von Atomen. Es muss deshalb immer mehr Datenspeicherkapazität aufgebaut werden, die neben dem Platzbedarf auch viel Energie benötigt. Miniaturisierte Systeme sind deshalb gefragt. Bereits 1959 forderte der US-Physiker Richard Feynman in seinem berühmten Vortrag „Nach unten ist noch Platz" Ingenieure dazu auf, ihre Entwicklungen so klein wie möglich zu gestalten.

„Nach unten ist noch Platz"

Bereits damals spekulierte er, dass es möglich wäre, eine Information auf der Ebene einzelner Atome zu speichern, wenn es gelingen könnte, sie in einem genau geordneten Muster anzuordnen und zu manipulieren. Genau das ist den Forschern um Sander Otte vom Kavli Institute of Nanoscience an der Universität Delft nun gelungen. Um Feynman zu ehren, haben sie mit ihrem Konzept einen Teil seiner Rede auf einem 100 Nanometer großen Informationsträger gespeichert. Im Rahmen dieser Demonstration der Technik erzeugten die Forscher etwa ein Kilobyte an Daten.

Das System basiert auf dem Grundprinzip der Rastertunnelmikroskopie, bei der eine "ultraspitze" Nadel die Atome von Oberflächen abtastet. Mit dieser Sonde lassen sich Atome nicht nur erkennen – die Forscher können sie mit der Spitze auch einzeln verschieben. "Man kann das mit einem Schiebe-Puzzle vergleichen", erklärt Otte. "Jedes Bit besteht aus zwei Positionen eines Chloratoms, das auf einer Oberfläche aus Kupferatomen sitzt. Dieses Chloratom können wir zwischen den beiden Positionen hin und her schieben. Wenn es in der oberen Position ist, entsteht darunter ein Loch. Das repräsentiert eine 1. Wenn das Loch in der oberen Position und das Chloratom unten ist, so ergibt das Bit eine 0", so Otte. Den Forschern zufolge ist diese Loch-Methode besonders gut für die Datenspeicherung geeignet, weil sie sehr stabil ist: Die Chloratome sind bis auf die Löcher überall durch andere Chloratomen umgeben – dadurch bleiben sie an Ort und Stelle.

Die Forscher haben ihr Speichersystem in Blöcke von jeweils 8 Byte (64 Bit) eingeteilt. Jeder Block besitzt einen Marker, der auf dem gleichen Loch-Prinzip basiert. Ähnlich wie ein Quadrat-Barcode (QR-Code), vermittelt dieser Marker Informationen über die genaue Lage des Blocks auf der Kupferschicht. Der Code kann auch angeben, ob ein Block beschädigt ist, beispielsweise durch eine lokale Verunreinigung oder einen Fehler in der Oberfläche. Letztlich können die Blöcke bestimmte Informationen ergeben – in dem Präsentationsbeispiel der Forscher sind es Buchstabenfolgen, die Passagen des Vortages von Feynman ergeben.

Ein vielversprechender Schritt

Wie Otte und seine Kollegen betonen, wird ihr System allerdings nicht gleich morgen die Datenspeicherung revolutionieren, denn noch ist es zu langsam und zu aufwendig: Das Verfahren der Rastertunnelmikroskopie benötigt noch viel Zeit, um die Daten zu schreiben und auch zu lesen. Außerdem funktioniert das Ganze bisher nur unter Laborbedingungen:
"In seiner jetzigen Form kann der Speicher nur unter sehr sauberen Vakuumbedingungen und bei Temperatur von flüssigem Stickstoff arbeiten, so dass die tatsächliche Speicherung von Daten auf atomarer Skala noch einen weiten Weg vor sich hat. Aber wir haben auf jeden Fall schon einmal einen großen Schritt gemacht", sagt Otte.

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