Helixförmige Moleküle statt Permanentmagneten in Festplatten

In vielen Bereichen stößt die Computertechnik an die Grenzen der technischen Möglichkeiten, da die Komponenten immer kleiner werden, während die Kapazitäten für Datenspeicherung und -übertragung stetig wachsen. Festplatten sind dabei keine Ausnahme: Die eingebauten permanentmagnetischen Schichten lassen sich kaum noch weiter verkleinern. Ein Forscherteam hat nun in der Zeitschrift „Nature Communications“ ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich diese Permanentmagneten in Zukunft vielleicht durch winzige, helixförmige Moleküle ersetzen lassen. Dadurch ließen sich wesentlich kompaktere Festplatten entwickeln.

Zwei dünne, magnetische Schichten bilden heute den Kern handelsüblicher Festplatten. Eine von ihnen ist permanentmagnetisch, hat also eine dauerhaft festgelegten Magnetfeldrichtung. Durch einen dünnen Isolator davon getrennt liegt eine zweite magnetische Metallschicht ohne festgelegte Feldrichtung. In dieser zweiten Schicht werden kleine Bereiche zwischen zwei Einstellungen umgeschaltet: mit dem Magnetfeld parallel oder antiparallel zur Feldrichtung der ersten Schicht. Diese beiden Einstellungen entsprechen den beiden möglichen Speichereinheiten, den Bits – auch bekannt als 1 und 0.

Illustration der Helix-Speicherplatte

Doch die permanentmagnetische Schicht stellt ein Problem dar, wenn die Bauteile verkleinert werden sollen: Je kleiner die magnetische Schicht, desto geringer ist auch die Energie, die zum Umschalten der Magnetisierung nötig wäre. Ab einer gewissen Größe genügt schon die Wärme des Metalls bei Zimmertemperatur, um die Magnetisierung kippen zu lassen. Eine Festplatte könnte unter diesen Umständen nur stark gekühlt als Datenspeicher dienen.

Das Team um Oren Ben Dor von der Hebräischen Universität Jerusalem hat nun die permanentmagnetische Schicht durch eine Schicht helixförmiger, also gewundener, Moleküle ersetzt. Diese sind nicht magnetisch, können aber die Elektronen eines fließenden Stroms sehr effektiv nach ihrem Spin sortieren. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die zwei mögliche Einstellungen hat. Je nach Stromrichtung werden die Elektronen mit dem einen oder der anderen Spin bevorzugt durch die Molekülschicht geleitet. Die Magnetisierung der angrenzenden Metallschicht wird damit jeweils in eine der beiden möglichen Richtungen ausgerichtet, die beiden Schichten lassen sich so mit Daten beschreiben.

Bisher haben die Wissenschaftler dieses Prinzip nur bei sehr niedrigen Temperaturen von 1,5 Kelvin demonstrieren können. Sie sehen ihre Ergebnisse aber als Hinweis auf zukünftige Datenspeicher, die ohne permanentmagnetische Strukturen auskommen. Diese könnten deutlich kleiner als heutige Speicher sein, weil sie ihre Magnetisierung auch bei Raumtemperatur nicht verlieren würden.