Die erste Festplatte auf Basis von Magnetspeichern, die IBM 350, kam 1956 zum Einsatz. Sie war etwa 1,5 Meter lang, 1,7 Meter breit, 74 Zentimeter tief und wog mehr als eine Tonne. Sie konnte fünf Megabyte speichern und begründete den Durchbruch von magnetischen Festplatten. Heutzutage ist eine handelsübliche 2,5-Zoll-Magnetfestplatte nur etwa sieben mal zehn Zentimeter groß, flach, wiegt mitunter weniger als 100 Gramm und kann bis zu fünf Terabyte Daten speichern – etwa eine Million Mal so viel wie die IBM 350.

Informationen auf Festplatten sind in Form von Bits, Nullen und Einsen, gespeichert. Acht Bits ergeben ein Byte,
1024 Byte ein Kilobyte. Der Platz, den ein einzelnes Bit benötigt, wurde im Laufe der Zeit immer kleiner, Festplatten immer günstiger. 1956 passten 2.000 Bit auf einen Quadratzoll, heute lassen sich auf der gleichen Fläche mehr als ein Terabit unterbringen. Für ein Bit wiederum braucht man derzeit einige Hunderttausend Atome. Wissenschaftler aus der Schweiz und IBMs Almaden Research Lab haben nun gezeigt, dass es im Prinzip auch noch viel kleiner geht: Sie speicherten ein Bit mit nur einem Atom. Ihre Arbeit veröffentlichten sie diese Woche im Fachjournal Nature.

Zuvor schienen die Grenzen der Miniaturisierung magnetischer Speichermedien erreicht. Je kleiner der Magnet, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass er spontan seine Polarität ändert. Der Speicher würde instabil und unzuverlässig. Die Faustregel, dass sich alle ein bis zwei Jahre die Speicherdichte verdoppelt, traf deshalb in den letzten Jahren nicht mehr zu.

Holmium als Datenspeicher

Um ein Bit auf nur einem Atom darzustellen, benutzten die Forscher das ferromagnetische Element Holmium. Es kann ein stärkeres Magnetfeld als Eisen erzeugen und wurde daher schon früher in Speichern genutzt. In einem Laborversuch gelang es den Wissenschaftlern nun, zwei Holmium-Atome so zu magnetisieren, dass ihre Eigenschaften stabil blieben – und damit zwei Bit Informationen auf nur zwei Atomen zu speichern.

Ganz neu ist der Ansatz nicht: Bereits 2013 gelang es einem Team aus Karlsruhe, Halle und Leipzig, Informationen mit einzelnen Holmium-Atomen zu speichern. Ein Problem war aber die geringe Stabilität der Magnetisierung, sie hielt nur wenige Minuten – danach war die Information verloren. Dem IBM-Team gelang es, die Zeit auf mehrere Stunden auszudehnen. Das klingt immer noch nach wenig, ist für die Forschung jedoch eine wichtige Steigerung.

Stabil im Ultravakuum bei knapp minus 270 Grad

Alltagstauglich ist die Technik aber nicht. Auch die Bedingungen, unter denen die Speicherung durchgeführt werden musste, lassen sich im Heimgebrauch nicht herstellen. Das Experiment wurde bei Temperaturen unter fünf Kelvin durchgeführt. Anders ausgedrückt: bei weniger als minus 268,15 Grad Celsius. Darüber hinaus gehörte zu den Laborbedingungen ein sogenanntes Ultrahochvakuum, wie es im Weltraum nahe der Erde herrscht. Das ist notwendig, damit das Holmium-Atom stabil bleibt.

Abgesehen davon ist auch der Schreib- und Lesemechanismus aufwändig und teuer. Die Bits wurden mithilfe eines Rastertunnelmikroskopes geschrieben. Rastertunnelmikroskope arbeiten mit einer elektrisch leitenden Sonde, an die eine Spannung angelegt wird. Sie können damit die Position einzelner Atome in elektrisch leitenden Materialien messen und darstellen. Aber je nach Spannung in der Sonde können die Atome auch manipuliert werden, wie etwa die Magnetfeld-Richtung des Holmium-Atoms. Mit demselben Mikroskop, aber einer anderen Spannung der Sonde ließen sich die Atome wieder auslesen.