Technik

Berliner Forscher entwickeln Riesenspeicher auf Molekülebene

Berliner Forscher und ihre Kollegen finden eine chemische Verbindung, die die Speicherdichte von Daten vertausendfachen kann.

Die digitale Welt besteht aus Informationen, die in Folgen von Nullen und Einsen abgelegt ist. Bald könnte es Speichermedien geben, die das Tausendfache an Information speichern als zurzeit verfügbare Medien

Die digitale Welt besteht aus Informationen, die in Folgen von Nullen und Einsen abgelegt ist. Bald könnte es Speichermedien geben, die das Tausendfache an Information speichern als zurzeit verfügbare Medien

Foto: KACPER PEMPEL / REUTERS

Es scheint bei Computern keine Grenzen zu geben – nicht bei der Rechenleistung und nicht beim Volumen der Datenspeicher. Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Rechenkapazität (oder genauer: die Zahl der Rechenelemente pro Flächeneinheit) alle ein bis zwei Jahre verdoppelt. Die Regel ist bereits seit Jahrzehnten gültig. Ähnliches gilt für Datenspeicher wie Festplatten oder die schnelleren SSD-Speicher.

Jetzt haben Forscher der Freien Universität (FU) Berlin gemeinsam mit Kollegen aus Mülheim an der Ruhr und Stuttgart einen weiteren großen Sprung für die Komplexität von Speichermedien gemacht: Sie haben chemische Moleküle geschaffen und untersucht, die eine dramatisch höhere Speicherdichte erlauben.

In den 50er-Jahren hatte der US-Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman gesagt, dass der Inhalt der 24 Millionen Bücher, die bis damals erschienen waren, in einem einzigen gerade noch mit den Augen sichtbaren Staubkorn abgespeichert werden könnten. Nach den neuen Erkenntnissen könnte er richtig gelegen haben.

„Solche Moleküle waren bisher außer Reichweite der Forschung“

In heutigen Festplatten sind die einzelnen Dateneinheiten (Bits) in zwar kleinen, aber doch räumlich ausgedehnten Bereichen von magnetisiertem metallischem Material abgelegt. Diese Bereiche sind winzige Magnete, ihre Ausrichtung gibt vor, ob das Bit die Information „1“ oder die Information „0“ enthält. In der Folge der Nullen und Einsen ist digitale Information verpackt.

Den Forschern ist es nun gelungen, ein chemisches Molekül zu finden, das für sich allein fähig ist, ein Bit zu speichern – ein einzelnes Molekül statt eines Bereiches aus Tausenden von Metallatomen, die magnetisch alle gleich ausgerichtet sein müssen. Das bedeutet etwa eine tausendfache Verkleinerung des Speichermediums – oder anders gerechnet – die Vertausendfachung der Speicherfähigkeit auf derselben Fläche an Speichermedium.

Das erste nun gefundene Molekül mit einer stabilen Magnetisierung ist ein sogenannter einkerniger Übergangsmetallkomplex. Solche Einzelmolekülmagnete seien bisher außer Reichweite der Wissenschaftler gewesen, berichtet die FU unter Bezug auf den jetzt von dem Forscherteam veröffentlichten Artikel im britischen Fachmagazin „Nature Communications“.

Das Grundprinzip ist verstanden, jetzt wird optimiert

Margarethe van der Meer von der FU hat die luft- und feuchtigkeitsstabile Verbindung hergestellt: „Ich war auf der Suche nach größeren Molekülen, und es hat mich überrascht, dass sogar noch kleinere Moleküle genauso gut funktionieren“, sagt die Doktorandin. Kooperiert hat sie mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und von der Universität Stuttgart.

Allerdings ist das tausendfach verdichtete Speichermedium noch nicht zu kaufen. Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Doch die Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, wie der chemische Aufbau des Moleküls mit dessen magnetischer Stabilität zusammenhängt.

Das Grundprinzip sei also verstanden, jetzt müsse das Material optimiert werden, um weitere Eigenschaften so zu verbessern, dass ein Produkt daraus entstehen kann. Zum Beispiel muss die Betriebstemperatur noch erhöht werden, um die Speicher alltagstauglich zu machen. „Wir haben jede Menge Ideen, wie wir das Material weiterentwickeln können, da wir nun verstehen, woher dessen Eigenschaften rühren“, sagt FU-Professor Biprajit Sarkar.

Datenspeicher auf Glasscheibe soll Milliarden Jahre lesbar sein

Erst vor wenigen Tagen hatten Forscher aus Großbritannien von einem Fortschritt bei der Miniaturisierung von elektronischen Speichermedien berichtet. Das Team von der Universität Southampton hatte eine kleine Glasscheibe entwickelt, auf der sich bis zu 360 Terabyte Daten speichern lassen. Die Scheibe ist dabei nur etwa so groß wie ein Zwei-Euro-Stück. Zum Vergleich: In handelsüblichen neuen Notebooks stecken Datenspeicher mit einer Kapazität von ein bis zwei Terabyte.

Der Speicherchip sei ausgesprochen robust, haben die Forscher ausgerechnet: Er soll bei einer Temperatur von 190 Grad Celsius 14 Milliarden Jahre lang stabil auslesbar sein. Beschrieben und ausgelesen werden die Daten auf der Glasscheibe mit einem Laserstrahl. Beim Lesen wird die räumliche Ausrichtung der Lichtwellen (Polarisation) im Speichermedium genutzt. Die Bits werden durch fünf Eigenschaften definiert: Größe, Ausrichtung und Position in der Nanostruktur der Scheibe, die aus drei Schichten besteht.