News: Elektrische Nachhilfe
Die Datendichte von Speichermedien wächst zusehends. Damit das auch für die Zukunft gilt, müssen sich Wissenschaftler manchen technischen Trick einfallen lassen, um physikalische Grenzen zu umgehen.
Kaum ein technisches System ist einem solch rasanten Wandeln unterworfen wie der Computer. Was vor Monaten noch up to date war, ist heute schon veraltet. Das gilt für fast jede Komponente eines Rechners, vor allem aber für die Speichermedien.
So wird es sicherlich nicht mehr lange dauern, bis 100 Gigabyte große Festplatten zur Standardausrüstung eines PCs gehören. Vergleicht man die Abmessungen heutiger Speichermedien mit früheren, so stellt man zudem fest, dass die moderne Hardware in der Regel deutlich kleiner ausfällt als ihre Vorgänger. Die Datendichte ist also gestiegen, aber wie lange lässt sich dieses Spiel noch fortsetzen?
Zumindest magnetische Speichermedien stoßen bald an physikalische Grenzen. Das so genannte superparamagnetische Limit macht Probleme und lässt Bits ihr Gedächtnis verlieren. Denn bei sehr kleinen Strukturen im Bereich von Nanometern, wo einzelne Bits nur noch aus wenigen Atomen bestehen, kann die Magnetisierung spontan durch thermische Anregung umklappen. Wie bei einem Kompass, den man heftig schüttelt, ist die Richtung mehr oder minder willkürlich.
Die Lösung des Problems: Man verwendet Materialien, die sich nur mit vergleichsweise hohem energetischen Aufwand ummagnetisieren lassen. Denn dann reicht eine thermische Anregung nicht mehr aus, ein Bit zu kippen. Das wiederum hat jedoch den Nachteil, dass beim Schreiben von Daten ein stärkeres Magnetfeld benötigt wird, was wiederum nur schwierig mit herkömmlichen Schreibköpfen zu realisieren ist.
Doch auch dafür gibt es bereits Lösungen. So setzt man beispielsweise Laser ein, um punktuell am Ort eines Bits die Temperatur zu erhöhen und damit die für den Schreibvorgang erforderliche Feldstärke – die Koerzitivfeldstärke – herabzusetzen. Auch Hideo Ohno und sein Team an der Tohoku University im japanischen Sendai suchten nach Möglichkeiten, die Koerzitivfeldstärke zu reduzieren. Die Forscher verfolgten jedoch einen elektronischen Ansatz. Sie verwendeten ein halbleitendes Material, bei dem sich die Stärke des Magnetismus durch die Ladungsträgerdichte einstellen lässt. Denn in dem verwendeten Mangan-dotierten Indiumarsenid vermittelt die Abwesenheit von Elektronen – Physiker reden auch von Löchern – den Magnetismus.
Die Konzentration an Ladungsträgern, ob es nun Elektronen oder Löcher sind, lassen sich in Halbleitern besonders gut einstellen: entweder durch Dotieren mit einem Fremdmaterial, durch Erhöhung der Temperatur, durch Lichteinwirkung, aber auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Letzteres hatten Ohno und seine Kollegen im Sinn. Die Forscher bauten dazu eine dünne Schicht des magnetischen Halbleiters als leitenden Kanal in einen Feldeffekttransistor (FET) ein. In diesem elektronischen Bauelement lässt sich über die Spannung an einer Steuerelektrode (Gate) die Ladungsträgerkonzentration in der magnetischen Schicht regeln. Und tatsächlich, wie die Physiker zeigen konnten, beeinflusste die Spannung am Gate direkt die Koerzitivfeldstärke des Materials. Je nach Polung konnte das Feld nach oben oder nach unten geregelt werden.
Somit ist es also möglich, auf elektrischem Wege die benötigte Feldstärke zum Schreiben eines Bits abzusenken, um dann mit herkömmlicher Technik die Magnetisierung festzulegen – und zwar bei Raumtemperatur, was für technische Anwendungen besonders wichtig ist. Da elektronische Schaltkreise schon jetzt in sehr kleinem Maßstab produziert werden können, spekulieren die Wissenschaftler, dass mit einem elektrisch gesteuerten Ummagnetisierungsprozess sich Nano-Bits für Speichermedien mit besonders hoher Datendichte realisieren lassen.
So wird es sicherlich nicht mehr lange dauern, bis 100 Gigabyte große Festplatten zur Standardausrüstung eines PCs gehören. Vergleicht man die Abmessungen heutiger Speichermedien mit früheren, so stellt man zudem fest, dass die moderne Hardware in der Regel deutlich kleiner ausfällt als ihre Vorgänger. Die Datendichte ist also gestiegen, aber wie lange lässt sich dieses Spiel noch fortsetzen?
Zumindest magnetische Speichermedien stoßen bald an physikalische Grenzen. Das so genannte superparamagnetische Limit macht Probleme und lässt Bits ihr Gedächtnis verlieren. Denn bei sehr kleinen Strukturen im Bereich von Nanometern, wo einzelne Bits nur noch aus wenigen Atomen bestehen, kann die Magnetisierung spontan durch thermische Anregung umklappen. Wie bei einem Kompass, den man heftig schüttelt, ist die Richtung mehr oder minder willkürlich.
Die Lösung des Problems: Man verwendet Materialien, die sich nur mit vergleichsweise hohem energetischen Aufwand ummagnetisieren lassen. Denn dann reicht eine thermische Anregung nicht mehr aus, ein Bit zu kippen. Das wiederum hat jedoch den Nachteil, dass beim Schreiben von Daten ein stärkeres Magnetfeld benötigt wird, was wiederum nur schwierig mit herkömmlichen Schreibköpfen zu realisieren ist.
Doch auch dafür gibt es bereits Lösungen. So setzt man beispielsweise Laser ein, um punktuell am Ort eines Bits die Temperatur zu erhöhen und damit die für den Schreibvorgang erforderliche Feldstärke – die Koerzitivfeldstärke – herabzusetzen. Auch Hideo Ohno und sein Team an der Tohoku University im japanischen Sendai suchten nach Möglichkeiten, die Koerzitivfeldstärke zu reduzieren. Die Forscher verfolgten jedoch einen elektronischen Ansatz. Sie verwendeten ein halbleitendes Material, bei dem sich die Stärke des Magnetismus durch die Ladungsträgerdichte einstellen lässt. Denn in dem verwendeten Mangan-dotierten Indiumarsenid vermittelt die Abwesenheit von Elektronen – Physiker reden auch von Löchern – den Magnetismus.
Die Konzentration an Ladungsträgern, ob es nun Elektronen oder Löcher sind, lassen sich in Halbleitern besonders gut einstellen: entweder durch Dotieren mit einem Fremdmaterial, durch Erhöhung der Temperatur, durch Lichteinwirkung, aber auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Letzteres hatten Ohno und seine Kollegen im Sinn. Die Forscher bauten dazu eine dünne Schicht des magnetischen Halbleiters als leitenden Kanal in einen Feldeffekttransistor (FET) ein. In diesem elektronischen Bauelement lässt sich über die Spannung an einer Steuerelektrode (Gate) die Ladungsträgerkonzentration in der magnetischen Schicht regeln. Und tatsächlich, wie die Physiker zeigen konnten, beeinflusste die Spannung am Gate direkt die Koerzitivfeldstärke des Materials. Je nach Polung konnte das Feld nach oben oder nach unten geregelt werden.
Somit ist es also möglich, auf elektrischem Wege die benötigte Feldstärke zum Schreiben eines Bits abzusenken, um dann mit herkömmlicher Technik die Magnetisierung festzulegen – und zwar bei Raumtemperatur, was für technische Anwendungen besonders wichtig ist. Da elektronische Schaltkreise schon jetzt in sehr kleinem Maßstab produziert werden können, spekulieren die Wissenschaftler, dass mit einem elektrisch gesteuerten Ummagnetisierungsprozess sich Nano-Bits für Speichermedien mit besonders hoher Datendichte realisieren lassen.
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