Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

30.03.2017 | News

Von:  Fabio Bergamin

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Magnetisierung
Die Magnetisierung von Dysprosium-Atomen (grün) auf der Nanopartikel-Oberfläche kann genau zwei Richtungen annehmen: «Spin up» oder «Spin down». (Grafik: ETH Zürich / Université de Rennes)

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären Digitaltechnik eine Null oder eine Eins) bloss ein einziges Atom oder ein kleines Molekül bräuchte. Theoretisch ist dies möglich, denn bestimmte Atome lassen sich so magnetisieren, dass die Magnetisierung nur zwei Richtungen annehmen kann: «Spin up» oder «Spin down». In der Abfolge der Magnetisierungsrichtung vieler Moleküle liessen sich so Informationen speichern.

Auf dem Weg zu Einzelmolekülmagnet-Datenspeichern gibt es allerdings noch einige Hürden zu überwinden. Moleküle zu finden, die die magnetische Information nicht nur kurzfristig, sondern auch dauerhaft speichern, ist nicht einfach. Und noch schwieriger ist es, solche Moleküle für den Bau von Datenspeichern auf einer festen Unterlage anzuordnen. Für letzteres hat ein internationales Forscherteam unter Leitung von Chemikern der ETH Zürich nun eine neue Methode geschaffen. Gegenüber anderen Ansätzen bietet sie zahlreiche Vorteile.

Atom mit Oberfläche verschmolzen

Christophe Copéret, Professor am Laboratorium für Anorganische Chemie der ETH Zürich, und sein Team entwickelten ein Molekül, in dessen Zentrum ein Dysprosium-Atom sitzt (Dysprosium ist ein Metall, das zu den seltenen Erden gehört). Umgeben ist dieses Atom von einem Molekülgerüst, das als Transportvehikel dient. Ausserdem entwickelten die Wissenschaftler eine Methode, um die Moleküle auf der Oberfläche von Siliziumdioxid-Nanopartikeln zu deponieren und mit diesen bei 400 Grad Celsius zu fusionieren. Das Transportgerüst zerfällt dabei, und es entstehen Nanopartikel, deren Oberfläche mit einzelnen freistehenden Dysprosium-Atomen durchsetzt ist. Wie Tests ergaben, können diese Atome magnetisiert werden, und sie behalten ihre Magnetisierungsrichtung aufrecht.

Mechanismus
Moleküle mit einem Dysprosium-Atom (blau) im Zentrum werden zunächst auf der Oberfläche eines Siliziumdioxid-Nanopartikels (rot und orange) deponiert und dann mit diesem verschmolzen. (Grafik: Allouche F et al. ACS Central Science 2017)

Die Magnetisierung funktioniert derzeit nur bei rund minus 270 Grad Celsius (nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt), und sie hält auch nur maximal etwas mehr als eineinhalb Minuten an. Die Wissenschaftler suchen daher nach Ansätzen, die Magnetisierung auch bei höheren Temperaturen und über längere Zeit stabil zu halten. Und sie sind auf der Suche nach Methoden, die Atome statt mit Nanopartikeln mit einer flachen Unterlage fusionieren.

Einfache Herstellung

Zu den Vorteilen der neuen Methode gehört, dass sie denkbar einfach ist. «Dysprosium-bestückte Nanopartikel lassen sich in jedem Chemielabor herstellen. Es braucht dazu weder einen Reinraum noch komplexe Apparaturen», sagt Florian Allouche, Doktorand in Copérets Gruppe. Ausserdem können die magnetisierbaren Nanopartikel bei Raumtemperatur aufbewahrt werden, und sie sind wiederverwendbar.

Alternative Herstellungsmethoden bestehen zum Beispiel darin, eine Fläche mit einzelnen Atomen zu bedampfen. So hergestellte Materialen sind jedoch nur bei sehr tiefen Temperaturen stabil. Oder es können Moleküle mit idealen magnetischen Eigenschaften auf eine Unterlage gebracht werden. Bei diesem Prozess werden die magnetischen Eigenschaften jedoch oft negativ beeinflusst.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts arbeiteten die ETH-Wissenschaftler mit Kollegen an den Universitäten von Lyon und Rennes, am Collège de France in Paris, am Paul-Scherrer-Institut in Villigen und am Berkeley National Laboratory in den USA zusammen.

Literaturhinweis

Allouche F et al.: Magnetic Memory from Site Isolated Dy(III) on Silica Materials. ACS Central Science 2017, doi: 10.1021/acscentsci.7b00035

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