Datenspeicherung mit molekularen Magneten
Moleküle als Speicherzelle?
Das Datenaufkommen wächst und wächst, was bedeutet, dass die Entwicklung in Richtung mehr Daten auf weniger Raum gehen muss. Europäische Wissenschaftler haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, Flash-Speicher aus einem Molekül herzustellen.
Die Speicherzellen bestehen aus Metalloxid-Clustern oder Polyoxometallaten (POM). Ein Cluster wird aus Wolframoxid und Selentrioxid hergestellt, wobei das Wolframoxid einen Käfig um zwei Selentrioxid-Moleküle bildet.
Legt man Spannung an einen solchen Cluster, ändert sich die Ladung des Polyoxometallats. Der Cluster kann diesen Ladungszustand bis zu 14 Tage beibehalten, er kann aber auch wieder rückgängig gemacht werden – das ergibt die binären Möglichkeiten 1 und 0.
Für Flash-Speicher werden heute Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) eingesetzt. Allerdings ist es schwierig, Speicherzellen kleiner als 10 Nanometer herzustellen - Polyoxometallat-Cluster dagegen sind nur etwa einen Nanometer groß.
"Die POM-Cluster bieten ein ausgewogenes Verhältnis von struktureller Stabilität und elektronischer Aktivität. Ihre elektronische Funktion ist einstellbar, so dass sie sich als Speicherknoten für Flash-Speicher eignen", sagt Teamleiter Lee Cronin (Universität Glasgow). Zudem kann man die Cluster auf den in der Chipindustrie vorhandenen Fertigungseinrichtungen herstellen - ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
Die Serienreife ist jedoch noch nicht erreicht: Die zum Speichern nötige Spannung muss gesenkt werden, momentan benötigen die Speicherelemente noch 20 Volt. Durch Änderungen in der Anordnung der Cluster soll dieses geändert werden.
Datenspeicherung mit molekularen Magneten
Das Prinzip der magnetischen Datenspeicherung ist seit dem Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Vereinfacht gesagt werden dabei auf einem Trägermaterial kleine magnetisierbare Partikel von einem Elektromagneten so beeinflusst, dass sie sich in Nord-Süd-Richtung oder in Süd-Nord-Richtung anordnen. Daraus ergeben sich die zwei Zustände eines Bits (Abkürzung für binary digit): 0 oder 1. Durch Kombination einer großen Anzahl von Bits können komplexe Daten gespeichert und abgerufen werden.
Im Zuge der Verkleinerung von Speichermedien ist man auf der Suche nach neuen Materialien. Ein physikalisches Problem dabei ist die Größe – besser die Kleine – des benutzten Materials. Ab einer bestimmten „Kleine“ gelten die uns geläufigen physikalischen Gesetze nicht mehr, es kommen quantenmechanische Zustände ins Spiel (die beim theoretisch machbaren Quantencomputer interessant werden).
Wissenschaftler haben sich vor einigen Jahren an mit der Erforschung von Ein-Molekül-Magneten und des Magnetismus von Nanopartikeln begonnen. Moleküle galten bis dato als nicht magnetische Materialien, was aber inzwischen widerlegt werden konnte. Heute weiß man, dass Moleküle Träger eines großen magnetischen Moments sein können, sogenannte „Ein-Molekül-Magnete“. Interessant ist, dass diese Moleküle nicht nur die Eigenschaften von Magneten besitzen, sie haben darüber hinaus Quanteneigenschaften, die für die molekulare Datenspeicherung oder den Quantencomputer wichtig werden können. Denn die nanometerkleinen Moleküle bestehen aus einer festen Anzahl von Atomen, sie können spezifisch für bestimmte Funktionen gebaut und preisgünstig produziert werden. Neben der elektrischen Ladung der Elektronen kann auch das magnetische Moment (Spin) für neue Funktionalitäten benutzt werden, für nichtflüchtige Arbeitsspeicher oder Quantencomputer.
Eine große Problematik warf die Tatsache auf, dass die Moleküle ihre Magnetisierung nur bei Temperaturen um die -200 Grad Celsius behielten. Wissenschaftler um Dr. Nicolae Atodiresei haben nun ein zwei Molekül dickes „Sandwich“ aus Kobalt und Zinkmethylphenylalenyl entwickelt, dass sich durch magnetische Felder zwischen zwei magnetischen Zuständen hin- und herschalten lässt. Und: das Sandwich funktioniert bei relativ „warmen“ 20 Grad unter Null. „Ein deutlicher Fortschritt auf dem Weg zur Entwicklung von Moleküldatenspeichern und -rechenelementen, die bei Raumtemperatur funktionieren“ freut sich Dr. Atodiresei.
