Nano-Abtaster für harte Scheiben

Die Datendichte von Festplatten hat sich in den vergangenen 30 Jahren ungefähr alle 12 Monate verdoppelt. Die dafür notwendige Sensortechnologie kommt langsam an ihre physikalischen Grenzen.

Um mit solch dicht bepackten Medien mithalten zu können, entwickelte die Forschung auch immer kleinere Lesekopf-Sensoren, die die klitzekleinen Datenbits in den Speicher holen. Aktuelle Festplatten speichern eine gigantische Datenmenge auf einen Quadratzoll – mehr als 200 Gigabit. Doch während die Industrie sich darauf vorbereitet, demnächst gar in Regionen mit einem Terabit pro Quadratzoll vorzudringen, kommt die dafür notwendige Sensortechnologie langsam an ihre physikalischen Grenzen.

Forscher am National Physical Laboratory im britischen Teddington haben deshalb nun ein ganz neues Design der Leseeinheit vorgeschlagen. Es basiert auf einem anderen magnetischen Effekt als die aktuelle Technologie. Potenziell sind damit wesentlich dünnere und kleinere Leseköpfe möglich, die die zu erwartenden Datendichten von bis zu einem Terabit problemlos lesen könnten, sagt Teamleiter Marian Vopsaroiu.

Der neue Sensor würde auch etwas weniger Strom ziehen als heutige Leseköpfe – für Laptops und tragbare MP3-Spieler also ideal. Gleichzeitig soll sich die Lesegeschwindigkeit erhöhen: "Man könnte Daten bis zu zehn Mal schneller erfassen", meint Vopsaroiu. Statt von einem GHz spreche man dann von fünf bis zehn.

In aktuellen Festplatten wird der so genannte Magnetwiderstand verwendet. Die Bits auf dem Datenträger werden magnetisch gespeichert – je nach Ausrichtung des Feldes eines Bits repräsentiert es also eine 1 oder eine 0. Während der Lesekopf über die Festplatte fliegt, sorgen die spezifischen Magnetfelder der Bits für eine dazu korrespondierende Widerstandsveränderung im Sensor des Lesekopfes. Dieser Widerstand kann nicht direkt gemessen werden, deshalb muss er zunächst mittels Gleichstrom in eine Spannung umgewandelt werden – also muss ständig Strom fließen.

Der von den britischen Forschern nun vorgelegte Sensor benötigt dies nicht mehr, weil er den magnetoelektrischen Effekt einsetzt. Bei dem neuen Sensor kann das Magnetfeld eines Datenbits direkt eine Spannung erzeugen. "Jedes Mal, wenn der Lesekopf über ein gespeichertes Bit hinweg geht, ergibt sich ein Spannungsimpuls, der entweder positiv oder negativ ist, je nachdem, wie das Bit ausgerichtet ist", sagt Vopsaroiu.

Die neuen Lesekopf-Sensoren bestehen aus insgesamt sieben Schichten aus Materialien mit verschiedenen magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Sie interagieren untereinander und zeigen zusammen den magnetoelektrischen Effekt.

Aktuelle Lesekopf-Sensoren auf traditionellen Festplatten besitzen 15 Schichten, müssen also dicker sein: "Es ist fast unmöglich, einen 15 bis 20 Schichten großen Stapel in einem 10 bis 15 Nanometer großen Bereich herzustellen", sagt Vopsaroiu. Sein Design könnte sogar zu Sensoren führen, die dünner sind als 10 Nanometer, was zur gewünschten Terabit-Datendichte pro Quadratzoll passen würde.

Der Forscher warnt allerdings davor, dass diese Zahlen aktuell noch graue Theorie seien. Ob der Ansatz funktioniere, liege vor allem daran, welche Materialien im Sensor-Stapel verwendet werden. Sie müssen die richtigen magnetischen und elektrischen Eigenschaften besitzen – und bestehen dann aus komplexen Legierungen wie Blei-Zirkonium-Titanat, Kobalt-Eisen-Vanadium oder Platin-Mangan. Aktuell konnte Vopsaroiu nur Mikrometer-dicke Schichten zeigen, die die gewünschten Eigenschaften besitzen – der Nanobereich ist noch nicht erreicht.

Um einen funktionierenden Lesekopf zu bauen, dürfen die Schichten im Sensorstapel jeweils nur zwei oder drei Nanometer dick sein. Es ist unklar, ob die Materialien in diesen Dimensionen ihre Eigenschaften überhaupt behalten. "Bei einer solch geringen Dicke kann sich das Verhalten signifikant verändern", meint MIT-Physiker Jagadeesh Moodera, der den Tunnelmagnetwiderstand mitentdeckte, der in heutigen Festplatten-Leseköpfen verwendet wird.

Auch das Zusammensetzen der verschiedenen komplexen Legierungen in den nur wenige Nanometer dicken Sensoren dürfte eine Herausforderung werden. Die Materialien besitzen allesamt verschiedene Eigenschaften, die nicht unbedingt zusammenpassen, meint Moodera. Beispielsweise könnte eines der Materialien sensibel auf Sauerstoff reagieren, während ein anderes Sauerstoff benötigt. Doch die Grundidee, so der MIT-Forscher, sei eine interessante – und es sei sinnvoll, sie experimental zu verfolgen.

Vopsaroiu gibt zu, dass sein Design viele Herausforderungen bewältigen muss. Aber die Lesekopf-Sensoren heutiger Festplatten seien anfangs ähnlich kompliziert gewesen. Die Hersteller hätten Methoden gefunden, sie problemlos zu produzieren. Um den Meilenstein der Terabit-Datendichte pro Quadratzoll zu erreichen, komme die Industrie um Experimente mit neuen Technologien sowieso nicht herum.

 
 

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