Physiker der TU Dortmund und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben einen wegweisenden Fortschritt in der Technologie des Datenauslesens erzielt. In einer aktuellen Veröffentlichung zeigen sie Grundlagen für ein ultraschnelles Auslesen magnetischer Strukturen, das innerhalb von Pikosekunden erfolgen könnte. Der Zugriff auf Daten auf heutigen Festplatten, die mehrere Millionen Megabyte speichern können, erfolgt bislang mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Megabyte pro Sekunde. Durch die Nutzung von Licht anstelle elektrischer Pulsen, die Geschwindigkeiten bis in den Bereich von Nanosekunden erreichen, könnte dieser Prozess um das Tausendfache beschleunigt werden.
Die Forscher verwendeten extrem kurze und intensive Terahertz-Pulse von der Strahlungsquelle „ELBE“ am HZDR, um die Magnetisierung hauchdünner Materialproben zu analysieren. Diese Proben bestanden aus zwei Schichten mit einer Dicke von jeweils maximal drei Nanometern, welche eine partielle Transparenz für Terahertz-Strahlung ermöglichen. In Kombination mit optischen Kurzpulslasern konnten so sehr schnelle relativistische Quanteneffekte sichtbar gemacht werden. Die Experimente, unter der Leitung von Dr. Sergey Kovalev von der TU Dortmund und Dr. Ruslan Salikhov vom HZDR, zeigen das Potenzial für eine signifikante Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit.
Magnetische Zustände kontrollieren
Ergänzend zu diesen Erkenntnissen haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und am MIT eine neue Methode entwickelt, um einen langanhaltenden magnetischen Zustand in antiferromagnetischen Materialien mithilfe von Licht zu erzeugen. Besonders bemerkenswert ist der Einsatz eines Terahertz-Lasers, der mehr als eine Billion Mal pro Sekunde schwingt, um Atome in einem antiferromagnetischen Material zu stimulieren. Diese Technik ermöglicht eine schnelle Veränderung der atomaren Struktur.
Die verwendete Terahertz-Strahlung versetzt die kollektiven atomaren Schwingungen des antiferromagnetischen Materials in Bewegung und bewirkt eine Modulation der zwischenatomaren Abstände. Dies führt zu einer Veränderung der magnetischen Wechselwirkungen und erzeugt eine Nettomagnetisierung, die in traditionellen antiferromagnetischen Materialien normalerweise null ist. Die Forschung zur Kontrolle von Magnetspins in Materialien wie Eisenphosphor-Trisulfid (FePS3), das bei tiefen Temperaturen antiferromagnetisch wird, könnte revolutionäre Fortschritte in der Datenspeicherung und Informationsverarbeitung ermöglichen.
Ein Blick in die Zukunft
Die Berührungspunkte zwischen diesen beiden Forschungssträngen sind eindeutig: Während die TU Dortmund die Geschwindigkeit des Datenlesens mit Licht erforscht, zielt die MPSD-Forschung darauf ab, neue magnetische Zustände zu schaffen, die länger als in vorherigen Experimenten erhalten bleiben können. Ein neu erzeugter Magnetzustand in FePS3 hält bis zu mehreren Millisekunden an, was die internen Wechselwirkungen zwischen Spins und Phononen stark beeinflusst. Diese Wechselwirkungen sind entscheidend für eine effiziente Speicherung und Verarbeitung von Informationen in zukünftigen Technologien.
Die wissenschaftlichen Durchbrüche und Entwicklungen stammen aus intensiven Kooperationen zwischen führenden Forschungsinstitutionen und werden in renommierten Fachzeitschriften wie Nature veröffentlicht. Die Perspektiven der Grundlagenforschung in diesem Bereich eröffnen aufregende Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Speicherchips, die sowohl zuverlässig als auch schnell arbeiten können.
Durch den Einsatz maßgeschneiderter Terahertz-Strahlung und die Schaffung neuer magnetischer Bedingungen könnten langfristige Vorteile für die Technologie der Datenverarbeitung realisiert werden. Diese Entwicklungen sind nicht nur für die Wissenschaft von Bedeutung, sondern könnten auch weitreichende Auswirkungen auf die Industrie haben.