Datenspeicher gehen ins Netz

Dichter ließe sich ein Datenspeicher kaum packen: Ein internationales Forscher-Team, an dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart beteiligt waren, hat die Grundlagen geschaffen, um Bits jeweils in einzelnen Eisenatomen zu speichern. Nach einer Methode, die am Stuttgarter Max-Planck-Institut entwickelt wurde, haben die Forscher auf einer Kupferoberfläche ein Netz aus Eisenatomen und Terephthalsäuremolekülen geknüpft. Die Eisenatome bilden dabei die Knoten des Netzes, die durch die organischen Moleküle verbunden sind. Jedes Eisenatom könnte in seinem magnetischen Moment ein Datenbit speichern. Gewöhnlich liegt das Moment nämlich wie ein winziger Stabmagnet in der Ebene des Netzes. Fügen die Wissenschaftler Sauerstoff hinzu, setzt dieser sich auf das Eisen und klappt den Stabmagneten aus der Ebene heraus. Die beiden magnetischen Orientierungen können für die Null oder Eins eines Bits stehen.

Die größten Festplatten speichern derzeit rund 400 Gigabits pro Quadratzoll, auf jedem Quadratzentimeter also etwa 60 Gigabits. Das ist viel, aber es geht noch mehr. In dem Netz aus Eisenatomen und organischen Molekülen, das die Wissenschaftler nun geknüpft haben, fänden im Prinzip 700-mal mehr Datenpunkte Platz, nämlich knapp 50 Billionen pro Quadratzentimeter.

Nur 1,5 Nanometer Abstand trennen die Eisenatome in dem Netz, einem zweidimensionalen quadratischen Gitter. Zu diesem Gitter verbinden sich Eisen und Terephthalsäure von selbst auf einer Kupferoberfläche, wie auch Kochsalz ein regelmäßiges Gitter und keinen wilden Haufen bildet. Die Forscher müssen sie nur im richtigen Mischungsverhältnis und bei geeigneter Temperatur in einer Vakuumkammer verdampfen. “Metall und Säure vernetzen sich dann dank der besonderen Eigenschaften der Stoffe und dank der Kupferoberfläche, die als Ordnungshilfe wirkt”, sagt Sebastian Stepanow, der an der Arbeit maßgeblich beteiligt war.

An die Kupferoberfläche heften sich sowohl die Moleküle der organischen Säure als auch die Eisenatome, da sie ungern einsam im luftleeren Raum schweben. Die Säuremoleküle formen an zwei Enden Zangen, die begierig nach Metallatomen greifen. Die auf der Kupferoberfläche sitzenden Eisenatome bieten ihrerseits genügend Platz, um sich an vier Seiten von den Säurezangen packen zu lassen. Auf diese Weise entstehen propellerartige Komplexe. Durch die Bindungen der Moleküle untereinander wächst peu à peu das metallorganische Netz.

Als Datenspeicher taugt dieses Netz aber nur, wenn die Eisenatome sich zwischen zwei Einstellungen hin und her schalten lassen. Nur dann können sie Bits codieren. Eine Einstellung steht für die Null, die andere für die Eins, die beiden Buchstaben des digitalen Alphabets. Eine Eigenschaft, die sich zwischen zwei Zuständen hin und her schalten lässt, ist das magnetische Moment eines Atoms – wenn man es clever angeht.

Das magnetische Moment eines Eisenatoms wird vom Spin bestimmter Elektronen erzeugt und macht es zu einem winzigen Stabmagneten. Der Spin eines Elektrons gibt, anschaulich ausgedrückt, wieder wie sich ein Elektron um sich selbst dreht. Gewöhnlich liegen die Spins wahllos im Raum, es sei denn sie spüren ein äußeres Magnetfeld – deshalb wird ein Stück Eisen an einem Permanentmagneten selbst magnetisch. Oder die chemische Umgebung des Eisens zwingt die Spins in eine bestimmte Richtung. Den zugrundeliegenden Effekt nennen Physiker Spin-Bahn-Kopplung. Dabei orientieren sich die Spins nach der Richtung des Magnetfeldes respektive an ihrer chemischen Umgebung. Die Elektronen laufen auf räumlich gerichteten Bahnen, das heißt im Prinzip nicht auf einem Kreis, um den Atomkern. So wird ein Eisenatom zu einem Stabmagneten.

“Genau das passiert in unserem metallorganischen Netz auf der Kupferoberfläche, so dass die Stabmagnete alle waagerecht in dem Netz liegen”, sagt Sebastian Stepanow. Der Grund: In dem metallorganischen Netz bewegen sich die Elektronen, die das magnetische Moment erzeugen, auf anderen Bahnen als in einem massiven Eisenstück. Und die räumliche Lage der Elektronen-Bahn gibt dem magnetischen Moment eine bevorzugte Lage.