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Die Rückkehr der Mechanik























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Die Rückkehr der Mechanik

Im IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon arbeiten Forscher an neuartigen, nanomechanischen Speichermethoden, deren Datendichte alles übertrifft, was heute möglich ist.

Von Andreas Fischer

Die Mechanik gilt als überholt: Grob, langsam und unpräzise, wurde sie wo immer möglich durch die Elektronik ersetzt. Doch das könnte sich ändern. In einem ihrer ureigensten Bereiche, dem Speicherchip, stösst die Elektronik an Grenzen, und die Mechanik macht ihre Rechte wieder geltend. Zumindest auf der Ebene der Nanotechnologie, der Atome und Moleküle. Im IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon arbeiten Forscher an nanomechanischen Speichermethoden, deren Speicherdichte weit über alles Bestehende hinausgeht.

Am Anfang war das Mikroskop

Am Anfang stand das Rastertunnelmikroskop (RTM), für dessen Erfindung die IBM-Forscher Heinrich Rohrer und Gerd Binnig 1986 den Nobelpreis erhielten. Das RTM ist eigentlich ein mechanisches Verfahren. Wie ein Blinder mit dem Stock tastet der Beobachter die Oberfläche eines Materials ab. Kommt die Spitze des Stifts nahe genug an die Oberfläche, führt dies dazu, dass zwischen den Atomen der Oberfläche und der Spitze ein so genannter Tunnelstrom zu fliessen anfängt. Beim linearen Abtasten bildet der Computer auf Grund der Stromschwankungen die atomare Oberflächenstruktur ab. Das kurz darauf vorgestellte Rasterkraftmikroskop (RKM oder AFM, Atomic Force Microscope) misst beim Tasten mit einer nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) breiten Sonde direkt die Kraft zwischen den Atomen.

Schon bald merkten Binnig und seine Kollegen, dass mit den Sondenmikroskopen mehr möglich ist als Beobachten. Binnig: "Wir entdeckten, dass wir mit der Sonde einzelne Teilchen bewegen konnten." Zu Beginn geschah dies noch unpräzise und eher zufällig. Doch das blieb nicht lange so.

Das macht Spass!

1990 schrieb Donald Eigler vom IBM Almaden Research Center in sein Tagebuch "This is fun" und setzte ein dickes Ausrufezeichen dahinter. Was ihm solchen Spass bereitete, war, dass es ihm gelungen war, einzelne Atome so präzis zu platzieren, dass sie das IBM-Logo bildeten. Damit war das Tor zur Manipulation von kleinsten Teilchen geöffnet, der Fantasie waren keine Grenzen mehr gesetzt. Die Träume reichen von sich selber zusammenbauenden Materialien bis zu winzigen, aus Molekülen aufgebauten Robotern.

In Rüschlikon blieb man nüchterner. Binnig: "Solche Vorstellungen entbehren sicher nicht jeder Grundlage - mit allen Möglichkeiten und auch Ängsten, die sie auslösen können. Aber wir sind noch lange nicht so weit."

Doch es gibt aber Anwendungen, die sich in absehbarer Zeit nutzen lassen.

Löcher stanzen

Im IBM Almaden Research Center war es gelungen, zuvor aufgebrachte "Löcher" im Nanobereich mit einem AFM-Fühler abzutasten. Das Ganze war vergleichbar mit einer CD-ROM, nur eben im Bereich von Nanometern und entsprechend grösserer Datendichte. Die Lesegeschwindigkeit allerdings liess zu wünschen übrig. Dennoch schien der Ansatz viel versprechend, werden sich doch die heutigen, mikroelektronischen Systeme bald nicht mehr dichter bepacken lassen.

Um die Schreib- und Lesegeschwindigkeit zu verbessern, setzten die Forscher in Rüschlikon auf die parallele Verarbeitung. Peter Vettiger, Leiter der Gruppe für Mikro- und Nanomechanik, und sein Team bauten ein Gerät mit 1024 Sondenspitzen auf einer Fläche von 3 x 3 mm. Damit konnten viele Spitzen gleichzeitig die ihnen zugeordneten Teilflächen abtasten. Der Datendurchsatz steigt auf diese Weise auf hundert Megabit pro Sekunde. Ausserdem lässt sich das Speichermedium durch Erhitzen löschen und erneut beschreiben.

Tausendfüssler

Die Forscher nannten das Ding Millipede - Tausendfüssler. Vettiger: "Wir haben den Beweis erbracht, dass es funktioniert. Unser Millipede ermöglicht, Daten rund zehnmal dichter zu packen als mit herkömmlichen Methoden." Und für eine künftige, industrielle Verwertung genau- so wichtig: Vettigers Team konnte zeigen, dass der Millipede wie mikroelektronische Chips im Batch-Verfahren auf einen Silizium-Wafer hergestellt werden kann. Vettiger ist stolz darauf, dass das Verfahren in seinem Labor entwickelt wurde. In rund zwei Jahren, schätzt er, wird ein Prototyp für die industrielle Herstellung fertig sein: "Wir müssen noch genau feststellen, wie sich Umwelteinflüsse wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen auswirken und wie oft das Medium beschrieben und gelesen werden kann." Bis es so weit ist, will Vettiger weitermachen, denn er ist überzeugt: "Wer eine Sache entwickelt hat, sollte so lange wie möglich daranbleiben."

Die Nanomechanik, so Vettiger, wird die Mikroelektronik zwar nicht ersetzen, aber ergänzen. Genau wie Radio und TV die Zeitung nicht verdrängten, ihr aber bestimmte Aufgaben zuwiesen. Das Einsatzgebiet für den Millipede sieht er vor allem bei mobilen Geräten. In Handys oder Uhren könnten problemlos einige Gigabyte gespeichert werden. Vettiger ist sicher, eine zukunftsträchtige Speichermethode gefunden zu haben, selbst wenn die Investitionen sowohl der Hersteller wie der Kunden eine Ablösung der herkömmlichen Technologien möglicherweise noch einige Zeit verzögern werden.

"Feenstaub" für Festplatten

In nur zwei Jahren soll es Festplatten mit einem Speicherplatz von 400 Gigabytes für den Heimcomputer geben, für Notebooks solche mit 100 Gigabytes. Diese Prognose wagte IBM nach einem Durchbruch bei der Entwicklung neuer Massenspeicher in seinem Forschungszentrum im kalifornischen San Jose.

Die von IBM als "pixie dust" (Feenstaub) bezeichnete Technologie legt eine nur drei Atomlagen dünne Schicht aus dem seltenen Metall Ruthenium zwischen zwei Magnetschichten. Damit wird laut IBM die bisher mögliche Datendichte von maximal 20 bis 40 Milliarden Bits pro Quadratzoll (ca. 6,5 Quadratzentimeter) auf 100 Milliarden Bits erhöht. IBMs nur zweifränklerkleine Festplatte Microdrive könnte es damit künftig auf 6 Gigabyte bringen. Seit 1997 verdoppelt sich die Kapazität der grössten Festplatten etwa jedes Jahr; zuvor war alle eineinhalb Jahre eine Verdoppelung erzielt worden. (TA/AP)