Es gibt ein Sprichwort, dass die Datenmenge immer wächst, bis sie den gesamten verfügbaren Speicherplatz ausfüllt. Vor vielleicht zwanzig Jahren war es üblich, Software, MP3-Musik, Filme und andere Dateien auf einem Computer zu speichern, der sich im Laufe der Jahre angesammelt haben könnte. In jenen Tagen, in denen Festplatten mehrere zehn Gigabyte Speicher aufnehmen konnten, waren sie fast unweigerlich überfüllt.
Jetzt, da schnelles Breitband-Internet verfügbar ist und wir nicht einmal daran denken, eine 4,7-GB-DVD herunterzuladen, ist die Datenspeicherung noch schneller. Die Gesamtmenge der auf Computern weltweit gespeicherten Daten wird von 4,4 Billionen Gigabyte im Jahr 2013 auf 44 Billionen im Jahr 2020 geschätzt. Dies bedeutet, dass wir durchschnittlich ungefähr 15 Millionen Gigabyte pro Tag erzeugen. Obwohl Festplatten jetzt in Tausenden von Gigabyte statt in Zehnern gemessen werden, haben wir immer noch ein Speicherproblem.
Viel Forschung und Entwicklung widmet sich der Suche nach neuen Möglichkeiten zum Speichern von Daten, die eine größere Dichte ermöglichen und dadurch mehr Informationen mit höherer Energieeffizienz speichern. Manchmal liegt dies an der Aktualisierung bekannter und bekannter Methoden. Beispielsweise hat IBM kürzlich eine neue Technologie angekündigt. Ihr Magnetband kann 25 Gigabyte an Informationen pro Quadratzoll (etwa 6,5 Quadratzentimeter) speichern - ein neuer Weltrekord für eine Technologie, die 60 Jahre alt ist. Obwohl heutige Solid-State-Festplatten eine höhere Dichte aufweisen, etwa 200 Gigabyte pro Quadratzoll, werden Magnetbänder immer noch häufig für Datensicherungen verwendet.
Die moderne Forschung auf dem Gebiet der Datenspeicherung befasst sich jedoch bereits mit einzelnen Atomen und Molekülen, was objektiv die letzte Grenze der technologischen Miniaturisierung darstellt.
Monatomische und monomolekulare Magnete müssen nicht mit benachbarten Magneten kommunizieren, um ihr magnetisches Gedächtnis aufrechtzuerhalten. Der Punkt ist, dass hier der Memory-Effekt aus den Gesetzen der Quantenmechanik entsteht. Da Atome oder Moleküle viel kleiner als die derzeit verwendeten magnetischen Domänen sind und einzeln und nicht in Gruppen verwendet werden können, können sie enger "gepackt" werden, was zu einem riesigen Sprung in der Datendichte führen kann.
Diese Art der Arbeit mit Atomen und Molekülen ist keine Science-Fiction mehr. Die Auswirkungen des magnetischen Gedächtnisses in einmolekularen Magneten wurden erstmals 1993 entdeckt, und ähnliche Auswirkungen für Einzelatommagnete wurden 2016 nachgewiesen.
Das Hauptproblem dieser Technologien vom Labor bis zur Massenproduktion besteht darin, dass sie bei normalen Umgebungstemperaturen noch nicht funktionieren. Sowohl einzelne Atome als auch einmolekulare Magnete müssen mit flüssigem Helium (bis zu einer Temperatur von - 269 ° C) gekühlt werden. Dies ist eine teure und begrenzte Ressource. Kürzlich erreichte eine Forschungsgruppe an der School of Chemistry der Universität von Manchester eine magnetische Hysterese oder das Auftreten eines magnetischen Gedächtniseffekts in einem Einzelmolekülmagneten bei -213 ° C unter Verwendung eines neuen Moleküls, das aus Seltenerdelementen stammt, wie in ihrem Brief angegeben zur Zeitschrift Nature. Nachdem sie einen Sprung von 56 Grad gemacht hatten, waren sie nur 17 Grad von der Temperatur des flüssigen Stickstoffs entfernt.
Es gibt jedoch auch andere Probleme. Um einzelne Datenbits tatsächlich zu speichern, müssen die Moleküle an Oberflächen fixiert werden. Dies wurde bereits in der Vergangenheit mit Einzelmolekülmagneten erreicht, jedoch nicht mit der neuesten Generation von Hochtemperaturmagneten. Gleichzeitig wurde dieser Effekt bereits an einzelnen an der Oberfläche fixierten Atomen nachgewiesen.
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Der ultimative Test ist die Demonstration des zerstörungsfreien Lesens von Informationen aus einzelnen Atomen und Molekülen. Dieses Ziel wurde 2017 erstmals von einem Forscherteam von IBM erreicht, das das kleinste magnetische Speichergerät demonstrierte, das auf der Basis eines einatomigen Magneten gebaut wurde.
Unabhängig davon, ob einatomige und einmolekulare Speichervorrichtungen tatsächlich in der Praxis angewendet werden und weit verbreitet werden, können die Errungenschaften der Grundlagenforschung in dieser Richtung nur als einfach phänomenal anerkannt werden. Synthetische Chemie-Methoden, die von Forschungsgruppen entwickelt wurden, die mit einmolekularen Magneten arbeiten, ermöglichen es heute, Moleküle mit individuellen magnetischen Eigenschaften zu erzeugen, die im Quantencomputer und sogar in der Magnetresonanztomographie Anwendung finden.
Igor Abramov
