„Nature“: Ein-Atom-Bit bildet kleinsten Speicher der Welt

„Ein einzelnes Atom fixiert auf einer Unterlage ist meist so empfindlich, dass es nur Bruchteile einer Mikrosekunde (200 Nanosekunden) seine magnetische Ausrichtung beibehält“, erklärt Wulf Wulfhekel vom Karlsruher Institut für Technologie. Zusammen mit Kollegen vom Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Mikrostrukturphysik Halle hat er es nun geschafft, diese Zeit um einen Faktor von etwa einer Milliarde auf mehrere Minuten zu verlängern. „Dies öffnet nicht nur das Tor zu dichteren Computerspeichern, sondern könnte auch für den Aufbau von Quantencomputern einen Grundstein legen“, so Wulfhekel. Quantencomputer basieren auf den quantenphysikalischen Eigenschaften von atomaren Systemen und könnten zumindest in der Theorie eine exponentiellen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Computern besitzen.

In dem aktuellen Experiment setzten die Forscher ein einzelnes Holmium-Atom auf eine Platinunterlage. Bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt, bei circa 1 Kelvin, vermaßen sie die magnetische Ausrichtung des Atoms mittels der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Der magnetische Spin sprang erst nach circa zehn Minuten um. „Das System hält seinen einmal eingestellten magnetischen Spin somit rund eine Milliarde Mal länger als vergleichbare atomare Systeme“, so Wulfhekel. Für das Experiment wurde ein neuartiges Rastertunnelmikroskop des KIT genutzt. Dank einer speziellen Kühlung für den Temperaturbereich nahe dem absoluten Nullpunkt ist es vibrationsarm und erlaubt lange Messzeiten.

„Um die Spin-Umklapp-Zeiten zu verlängern, haben wir den störenden Einfluss der Umgebung für das Atom ausgeblendet“, erklärt Prof. Dr. Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der zusammen mit den Wissenschaftlern um Prof. Dr. Wolfram Hergert vom Institut für Physik der MLU die theoretische Rechnungen für das Experiment beigetragen hat. Normalerweise stoßen die Elektronen der Unterlage und des Atoms rege quantenmechanisch miteinander und destabilisieren den Spin des Atoms in Mikrosekunden oder schneller aus dem Grundzustand. Im Fall von Holmium und Platin bei tiefen Temperaturen werden störende Wechselwirkungen durch die Symmetrieeigenschaften des vorliegenden Quantensystems ausgeschaltet. „Im Grunde sind Holmium und Platin für einander im Bezug auf Spinstreuung unsichtbar“, so Ernst. Mittels externer Magnetfelder ließen sich der Spin des Holmiums aber noch einstellen und so Informationen schreiben. Damit wären die Grundlagen für die Entwicklung kompakter Datenspeicher oder Quantencomputer gelegt.

Publikation:
“Stabilizing the magnetic moment of single Holmium atoms by symmetry”
Toshio Miyamachi, Tobias Schuh, Tobias Märkl, Christopher Bresch, Timofey Balashov, Alexander Stöhr, Christian Karlewski, Stephan André, Michael Marthaler, Martin Hoffmann, Matthias Geilhufe, Sergey Ostanin, Wolfram Hergert, Ingrid Mertig, Gerd Schön, Arthur Ernst und Wulf Wulfhekel
Nature, 14.11.2013; DOI: 10.1038/nature12759

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