Skyrmionen, Datenspeicher der Zukunft?

Künstlerische Darstellung Skyrmion mit Magnetwellen.
Künstlerische Darstellung Skyrmion mit Magnetwellen.

Skyrmionen könnten Datenspeicher der Zukunft werden.

Ob raumfüllender Großrechner oder einfacher Desktop-Computer und handlicher Laptop – dank hochmoderner Technik werden Rechner nicht nur kleiner, sondern auch effizienter. Damit werden die Anforderungen an die Datenauslesung und die Speicherung immer höher. Eine potentielle Option für die Zukunft liefern Skyrmionen, das sind stabile Wirbel in magnetischen Materialien.

Nach Erfinder benannt
Skyrmionen wurden in den 1980er Jahren von Tony Skyrme entdeckt, nach dem sie auch benannt sind. Grundsätzlich handelt es sich dabei um magnetische Wirbel, die sich aber wie normale Teilchen verhalten. Damit sind sie vor allem für Physiker interessant, denn dank ihrer besonderen Eigenschaften können sie mit Hilfe von präzisen Elektrostrahlen entsprechend gut verändert werden. So können sie für die Datenspeicherung verwendet werden, wobei sie wesentlich schneller reagieren. Innerhalb von Pikosekunden, also dem billionsten Teil einer Sekunde passiert das Ganze, womit bei Speichermedien in Zukunft bis zu tausendfach schnellere Geschwindigkeiten möglich sein sollten.

Was ist ein Skyrmion überhaupt?
Ein Skyrmion aus Mangansilizium ist ungefähr zwanzig Nanometern im Durchmesser groß. Damit ist es äußerst interessant zum Bau hocheffizienter Datenspeicher. Denn gerade dort ist es wichtig, dass nicht nur das Bauteil selbst sehr klein ist, sondern dass auch die Informationen auf einem möglichst kleinen Raum gespeichert werden. Information wird in Bit gemessen, wobei gegenwärtige Festplatten ungefähr eine Million Atome benötigen, um ein Bit an Info zu speichern. Bereits ein einzelnes Skyrmion kann das gleiche, hat aber nur die Größe von ca. 15 Atomen, womit es extrem platzsparend ist.

Magnetische Eigenschaften sind ausschlaggebend
Dank der sogenannten Spintronik ist es möglich, dass Datenspeicher wesentlich effizienter arbeiten als noch ältere Modelle. Die magnetische Eigenschaft des Materials in Speichermedien kann durch den elektrischen Strom bei Skyrmionenentsprechend verändert werden. Indem man diese bewegt, wird die Info direkt in das Material geschrieben. Da dazu nur ein geringer Stromaufwand notwendig ist, können Datenspeicher der neuen Generation nicht nur viel mehr Info verarbeiten, sondern sie tun dies auch mit wesentlich weniger Energie. Durch die Windungszahl des Skyrmionenwirbels wird ein fiktives Magnetfeld erzeugt, wird in der Folge dieses bewegt, kommt es zur Entstehung eines elektrischen Feldes – und dies kann entsprechend gemessen werden.

Geräte zum Datenspeicher bleiben gleich
Auch wenn sich die Technik verändert und effizienter und produktiver wird, müssen sich die Geräte bzw. ihre Peripherie nicht viel ändern. Vorstellbar für die entwickelnden Forscher ist ein Bauteil, auf dem einzelne Nanoplättchen mit den Skyrmionen in etwa so angeordnet sind wie es bei den heute üblicherweise eingebauten Festplatten der Fall ist. Die jeweiligen Skyrmionenzustände könnten in der Folge dank eines rotierenden Lese- oder Schreibkopfes entsprechend geändert oder auch ausgelesen werden. Wenn der derzeitige Forschungsstand und die dazu gehörigen Überlegungen und Gedanken der Physiker richtig und umsetzbar sind, kann in 15 bis 20 Jahren dank der innovativen Technologie eine neue Generation Datenspeicheroptionen ihre Arbeit verrichten. Bis zu diesem Zeitpunkt ist es vielleicht sogar gelungen, diese neue Art der Datenspeicher für USB-Sticks oder sogar Speicherkarten umsetzbar zu machen. Doch ausreichend Platz wäre auch auf diesen verhältnismäßig kleinen Speichergeräten in jedem Fall gegeben, sofern alle übrigen Voraussetzungen stimmen.

Fläche einer Centmünze bietet genügend Platz
An der Entwicklung der neuen Technologie wird nach wie vor fieberhaft gearbeitet. In entsprechenden Publikationen ist davon die Rede, dass ca. sieben Milliarden Skyrmionen auf einer Ein-Cent-Münze Platz finden. Dies entspricht in etwa einem GigaByte an Informationen und eröffnet komplett neue Optionen für zukünftige Datenspeicher. Die Experten gehen sogar davon aus, dass der Radius noch um einige Nanometer verkleinert werden kann, dann besteht die Möglichkeit auf der identen Fläche insgesamt acht Billionen Skyrmionen, also ca. ein TeraByte, zu speichern. Gelingt dieser Forschung die realitätsnahe Umsetzung, sind sowohl in der Wirtschaft als auch im privaten Gebrauch komplett neue Dimensionen der Datenspeicherung gegeben.