Von 0 auf 1 in einer Billionstel Sekunde

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Daten speichern in der Geschwindigkeit des Lichts und mit möglichst wenig Energieaufwand: Dem Traum der IT-Welt sind Regensburger Physiker einen Schritt näher gekommen.

Regensburg – Trotz der rasant wachsenden Nachfrage nach immer schnellerer Elektronik stagnieren die Taktraten moderner Computer seit Jahren. Ein Hauptgrund: Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten führen in Rechnern zu massiver Wärmeentwicklung. Mittlerweile sind Rechenzentren für nahezu fünf Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Aktuelle Speichertechnologien halten die binären Informationen („0“ und „1“) anhand der Orientierung winziger magnetischer Kompassnadeln, so genannter Spins, fest. Diese können durch einen magnetischen Schreibkopf gelesen und geschrieben werden. Die geringe Effizienz dieses Ansatzes begrenzt allerdings die maximal erreichbaren Raten des Datentransfers. Regensburger Forscher erforschen einen völlig neuen Ansatz, der die Speichertechnologie revolutionieren könnte: Sie legten jetzt das Fundament für hocheffiziente magnetische Datenspeicherung mittels kurzer Lichtimpulse.

Über ihre Ergebnisse berichten die ostbayerischen Forscher in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“. Konkret gelang es den Regensburgern, durch einen präzise dosierten und extrem kurzen „Schubs“ aus Licht, einen Elementarmagneten eines Festkörpers – den Spin eines Elektrons – effizienter und schneller denn je umzudrehen.
Die Kernidee des Forscherteams um Professor Dr. Rupert Huber und Privatdozent Dr. Christoph Lange vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik sowie Wissenschaftlern aus dem niederländischen Nijmegen: mit ultrakurzen Lichtblitzen Spins plötzlich auszulenken, um sie von einem stabilen Zustand so schnell in einen anderen zu schalten, dass sie keine Wärme erzeugen können. Wählt man hierbei Lichtblitze im niederenergetischen infraroten Spektralbereich, dem sogenannten Terahertzbereich, so sollte dies besonders energieeffizient funktionieren.
Selbst mit den stärksten Terahertz-Strahlungsquellen stieß man aber bislang immer an Grenzen. „Man konnte die Spins zwar seit ein paar Jahren ein bisschen taumeln lassen, ihnen aber keinen derart heftigen Kick verpassen, dass sie sich komplett umdrehen“, sagt Stefan Schlauderer, Erstautor der Publikation. Deshalb haben sich die Regensburger Physiker nun eines Tricks bedient.
„Wir haben eine kleine, goldene Antenne gebaut, um die Strahlung zusätzlich zu bündeln. Die Antenne ist etwa 70 Mikrometer lang und macht die Strahlung lokal so stark, dass sie ausreicht, um die Spins umzuschalten“, ergänzt Privatdozent Dr. Lange. So konnten die Wissenschaftler die Ausrichtung der Elementarmagneten innerhalb weniger Pikosekunden – Millionstel einer Millionstel Sekunde -umschalten. Nötig war dabei lediglich die Energie eines einzelnen Terahertz-Lichtquants – eines Photons – pro Spin. Das ist extrem wenig.
Damit übertreffen sie die Geschwindigkeit bestehender Technologien um den Faktor 1.000. Die Regensburger Ergebnisse sind auch ein Rekord in Sachen Energieeffizienz. Mehr noch: „Durch die punktgenau dosierte Energiemenge läuft die Bewegung der Spins praktisch ungestört ab, sodass sich sogar Perspektiven für Quanteninformationsverarbeitung ergeben könnten“, so Dr. Lange. Er ist überzeugt: Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für eine neue Generation der Informationstechnologie, die künftig eine maximal effiziente und ultimativ schnelle Datenspeicherung ermöglicht.

Mit Hilfe von kurzen Lichtblitzen lassen sich Spins innerhalb weniger Pikosekunden nahezu verlustfrei von einem stabilen Zustand (roter Pfeil) in einen neuen (weißer Pfeil) lenken. Damit kann man Daten in Form von magnetischen Bits ultimativ schnell und maximal energieeffizient speichern. Foto: obx-news/Uni Regensburg/Brad Baxley

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