Magnetismus ist in vielerlei Hinsicht nützlich und der magnetische Gedächtniseffekt tritt sogar auf atomarer Ebene auf. Popular Science Monthly
Es gibt ein Sprichwort, das besagt, dass Daten erweitert werden, um alle verfügbaren Kapazitäten zu füllen. Vor vielleicht zehn oder 20 Jahren war es üblich, Softwareprogramme, MP3-Musik, Filme und andere Dateien aufzubewahren, deren Erfassung möglicherweise Jahre gedauert hatIn den Tagen, als Festplattenlaufwerke einige zehn Gigabyte Speicherplatz boten, war es fast unvermeidlich, dass nicht genügend Speicherplatz zur Verfügung stand.
Jetzt, da wir über ein schnelles Breitband-Internet verfügen und nicht mehr daran denken, eine 4,7-Gigabyte-DVD herunterzuladen, können wir Daten noch schneller sammeln. Schätzungen zufolge wird die Gesamtmenge der weltweit gespeicherten Daten steigen. 4,4 Billionen Gigabyte im Jahr 2013 auf 44 Billionen Gigabyte im Jahr 2020 . Dies bedeutet, dass wir durchschnittlich 15 Millionen Gigabyte pro Tag generieren. Obwohl Festplattenlaufwerke jetzt in Tausenden von Gigabyte statt in Zehn Gigabyte gemessen werden, haben wir immer noch ein Speicherproblem.
Forschung und Entwicklung konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer Methoden zur Datenspeicherung, die dichter sind und somit größere Datenmengen auf energieeffizientere Weise speichern können. Manchmal müssen dabei etablierte Techniken aktualisiert werden: IBM kündigte kürzlich an, a neue Magnetbandtechnologie das kann 25 Gigabyte pro Quadratzoll speichern, ein neuer Weltrekord für die 60 Jahre alte Technologie. Während aktuelle Magnet- oder Solid-State-Consumer-Festplatten etwa dichter sind 200 Gigabyte pro Quadratzoll Magnetbänder werden immer noch häufig zur Datensicherung verwendet.
Die Spitzenforschung in der Datenspeicherforschung arbeitet jedoch auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle, was die ultimative Grenze der technologischen Miniaturisierung darstellt.
Die Suche nach Atommagneten
Aktuelle magnetische Datenspeichertechnologien - jene, die in herkömmlichen Festplatten mit sich drehenden Platten verwendet werden, der bis vor einigen Jahren Standard war und heute noch üblich ist - werden mit Top-Down-Methoden hergestellt. Dabei werden dünne Schichten aus einem großen Stück hergestelltferromagnetisches Material, das jeweils die vielen enthält magnetische Domänen die zum Speichern von Daten verwendet werden. Jede dieser magnetischen Domänen besteht aus einer großen Sammlung magnetisierter Atome, deren magnetische Polarität durch den Lese- / Schreibkopf der Festplatte festgelegt wird, um Daten entweder als binäre Eins oder als Null darzustellen.
Eine alternative „Bottom-up“ -Methode würde den Aufbau von Speichervorrichtungen umfassen, indem einzelne Atome oder Moleküle einzeln platziert werden, die jeweils ein einzelnes Informationsbit speichern können. Magnetische Domänen behalten ihr magnetisches Gedächtnis aufgrund der Kommunikation zwischen Gruppen benachbarter magnetisierter Atome.
Einzelatom- oder Einzelmolekülmagnete benötigen diese Kommunikation mit ihren Nachbarn nicht, um ihr magnetisches Gedächtnis zu erhalten. Stattdessen entsteht der Memory-Effekt aus der Quantenmechanik. Weil Atome oder Moleküle viel, viel kleiner sind als dieDerzeit verwendete magnetische Domänen, die einzeln und nicht in Gruppen verwendet werden können, können enger zusammengepackt werden, was zu einer enormen Erhöhung der Datendichte führen kann.
Arbeiten mit solchen Atomen und Molekülen ist keine Science-Fiction. Magnetische Gedächtniseffekte in Einzelmolekülmagneten SMMs waren erstmals 1993 demonstriert und ähnliche Effekte für Einzelatommagnete wurden im Jahr 2016 gezeigt.
Temperatur erhöhen
Das Hauptproblem bei der Verlagerung dieser Technologien aus dem Labor in den Mainstream besteht darin, dass sie bei Umgebungstemperaturen noch nicht funktionieren. Sowohl einzelne Atome als auch SMMs müssen mit flüssigem Helium bei einer Temperatur von –269 ° C gekühlt werdenC, eine teure und begrenzte Ressource. Daher haben sich die Forschungsanstrengungen in den letzten 25 Jahren darauf konzentriert, die Temperatur zu erhöhen, bei der magnetische Hysterese - eine Demonstration des magnetischen Gedächtniseffekts - kann beobachtet werden. Ein wichtiges Ziel ist –196 ° C, da dies die Temperatur ist, die mit flüssigem Stickstoff erreicht werden kann, der reichlich vorhanden und billig ist.
Es dauerte 18 Jahre, bis der erste wesentliche Schritt zur Erhöhung der Temperatur, bei der ein magnetisches Gedächtnis in SMMs möglich ist, um 10 ° C anstieg. erreicht von Forschern in Kalifornien . Aber jetzt hat unser Forschungsteam an der School of Chemistry der Universität Manchester erreichte magnetische Hysterese in einem SMM bei –213 ° C unter Verwendung eines neuen Moleküls auf der Basis des Seltenerdelements Dysprosocenium, wie in einem Brief an die Zeitschrift Nature berichtet. Mit einem Sprung von 56 ° C ist dies nur 17 ° C von der Temperatur des flüssigen Stickstoffs entfernt.
zukünftige Verwendungen
Es gibt jedoch andere Herausforderungen. Um einzelne Datenbits praktisch zu speichern, müssen Moleküle an Oberflächen fixiert werden. in der Vergangenheit mit SMMs demonstriert aber nicht für diese neueste Generation von Hochtemperatur-SMMs. Andererseits magnetisches Gedächtnis in einzelnen Atomen wurde bereits auf einer Oberfläche demonstriert.
Der ultimative Test ist die Demonstration des Schreibens und zerstörungsfreien Lesens von Daten in einzelnen Atomen oder Molekülen. Dies wurde 2017 zum ersten Mal von einer Gruppe von Forschern bei IBM erreicht, die dies demonstrierten. kleinstes magnetisches Speichergerät der Welt , gebaut um a Einzelatom .
Unabhängig davon, ob Einzelatom- oder Einzelmolekülspeicher jemals wirklich praktisch werden, sind die Fortschritte in der Grundlagenforschung auf diesem Weg phänomenal. Die Techniken der synthetischen Chemie, die von Gruppen entwickelt wurden, die an SMMs arbeiten, ermöglichen es uns nun, Moleküle mit zu entwerfenkundenspezifische magnetische Eigenschaften, die Anwendungen im Quantencomputer und sogar in der Magnetresonanztomographie finden werden.
Nicholas Chilton , wissenschaftlicher Mitarbeiter - School of Chemistry, Universität von Manchester
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