Forscher stapeln drei Materialschichten – und erschaffen damit einen Datenspeicher, der alles bisherige in den Schatten stellen könnte.
Festplatten und Speicherchips könnten künftig hauchdünn werden, sollte sich ein Verfahren durchsetzen, das ein Forscherteam aus Südkorea entwickelt hat. Statt auf ferroelektrische Materialien setzen sie auf eine sandwichartige Struktur verschiedener Materialien.
Die Forscher der DGIST und KAIST veröffentlichten ihre Ergebnisse schon im Januar in der Fachzeitschrift Nature Communications.
Die Herausforderung der Zukunft ist, dass Computer, Smartphones und andere Geräte immer kleiner werden – und mit ihnen natürlich auch die Halbleiter. Das bringt aber die herkömmlichen Speichermedien an ihre Grenzen.
Das Kernproblem ist: Je dünner elektronische Bauteile werden, desto schwieriger wird es, Informationen darin zu speichern. Denn klassische Speichermaterialien funktionieren nicht mehr, wenn sie auf wenige Atomlagen geschrumpft werden.
Drei Schichten bilden eine elektrische Falle
Bei dem neuen Verfahren werden drei verschiedene Materialien übereinandergelegt: Graphen, eine einzelne Lage aus Kohlenstoffatomen, dann eine hauchdünne Isolierschicht aus Bornitrid, und darüber einen speziellen Kristall aus Ruthenium und Chlor.
Die mittlere Schicht wirkt wie eine durchlässige Barriere: Elektronen können nicht direkt hindurchwandern, aber ihre elektrische Kraft reicht hindurch. Dadurch sammeln sich Ladungen an den Grenzflächen und bilden winzige elektrische Dipole – vergleichbar mit Magneten, die einen Nord- und einen Südpol haben, nur eben elektrisch geladen.
Diese Dipole lassen sich durch Anlegen einer Spannung umklappen. Zeigt der Dipol nach oben, bedeutet das eine gespeicherte Eins. Zeigt er nach unten, eine Null.
Das Umschalten funktioniert ähnlich wie bei einem Lichtschalter, nur auf atomarer Ebene. Der Zustand kann ausgelesen werden, indem der elektrische Widerstand der Graphenschicht gemessen wird.
Nur bei extremer Kälte funktionsfähig
Ein Umstand verhindert aber, dass dieses Verfahren bald in Alltagselektronik eingesetzt werden kann: Das System funktioniert nur bei minus 243 Grad Celsius, also 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Bei dieser Temperatur ist die Wärmeenergie gerade richtig dosiert. Wird es wärmer, geraten die Dipole durch thermische Bewegung durcheinander. Wird es noch kälter, frieren sie ein und lassen sich nicht mehr umschalten.
Durch wiederholtes Hin- und Herschalten konnten die Forscher die Dipole trainieren. Danach blieben sie auch bei tieferen Temperaturen schaltbar. Ein Testgerät behielt seine Einstellung über fünf Monate, auch ohne angelegte Spannung. Allerdings verschob sich die Schaltschwelle nach der langen Lagerung um etwa 19 Volt.
Die Forscher testeten auch starke Magnetfelder bis zu neun Tesla – etwa 180.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld. Das Ergebnis: keinerlei Auswirkung auf die Schalteigenschaften.
Das unterscheidet das System klar von magnetischen Speichern und bestätigt den rein elektrischen Mechanismus.
Quantencomputer statt Smartphone
Youngwook Kim, Professor im Fachbereich Physik und Chemie der DGIST, sieht Anwendungen hauptsächlich in Spezialgebieten:
"Mit Blick auf die Zukunft erwarten wir, dass diese Technologie die Entwicklung von Speichergeräten für Quantencomputer, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, oder von Halbleitern der nächsten Generation mit extrem niedrigem Stromverbrauch beschleunigen wird."
Auch andere praktische Fragen bleiben offen: Wie viele Informationen lassen sich pro Fläche speichern? Wie schnell funktioniert das Schreiben und Lesen? Und lässt sich das Verfahren industriell herstellen?
Die Studie zeigt einen möglichen Weg für künftige ultradünne Speichertechnologien, macht aber auch deutlich, dass zwischen Laborexperiment und Marktreife noch erhebliche Hürden liegen.
Quelle: www.msn.com/de-de/nachrichten/...-drei-atome-dick/ar-AA1VZSSK
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