Festplatten speichern Daten in winzigen magnetischen Bereichen, die für Nullen und Einsen stehen. Um sie umzuschalten, braucht man bislang ein Magnetfeld, was Energie kostet und die Schreibgeschwindigkeit begrenzt. Ingenieure der University of California San Diego zeigen nun, dass sich solche Bereiche auch mit einem speziell geformten Laserstrahl umschalten lassen, und zwar in Materialien, bei denen das bisher nicht funktionierte. Nach ihrer Schätzung könnte das Verfahren mehr als 1.000-mal schneller sein.
Jede Festplatte und viele andere Datenspeicher beruhen auf demselben Prinzip. Eine dünne magnetische Schicht ist in unzählige winzige Bereiche aufgeteilt, deren Magnetisierung entweder in die eine oder in die andere Richtung zeigt. Die eine Richtung steht für eine Eins, die andere für eine Null. Um Daten zu schreiben, muss ein Schreibkopf die Magnetisierung dieser Bereiche gezielt umkehren, bislang mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes. Dieses Verfahren hat sich über Jahrzehnte bewährt, stößt aber an Grenzen. Es verbraucht vergleichsweise viel Energie, und die Geschwindigkeit, mit der sich die magnetischen Bereiche umschalten lassen, ist begrenzt. Zudem wird es immer schwieriger, die Bereiche noch kleiner zu machen, um mehr Daten auf derselben Fläche unterzubringen. Weil weltweit immer mehr Daten gespeichert werden, suchen Forscher nach schnelleren und sparsameren Wegen, magnetische Informationen zu schreiben, und Licht gilt dabei als besonders vielversprechend.
Das Verfahren, bei dem Licht statt eines Magneten die Magnetisierung umkehrt, heißt optisches Schalten. Licht hat dafür zwei große Vorteile. Es kann seine Energie extrem schnell abgeben, und es lässt sich sehr genau auf eine kleine Fläche bündeln. Besonders geeignet sind sogenannte Femtosekundenlaser, die ultrakurze Lichtpulse erzeugen. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde. Solche Pulse können ein Material innerhalb unvorstellbar kurzer Zeit aufheizen und dabei seine magnetische Ordnung verändern. Bisher hatte das optische Schalten jedoch einen entscheidenden Haken. Frühere Experimente zeigten, dass es nur in sehr dünnen magnetischen Schichtstapeln mit höchstens drei magnetischen Lagen funktionierte und zudem Licht mit einer bestimmten Schwingungsrichtung, also einer bestimmten Polarisation, voraussetzte. Mehr Lagen unterdrückten den Effekt. Genau das war ein Problem für die Praxis, denn dickere Schichten halten gespeicherte Informationen länger stabil.
Das Team um den Elektroingenieur Abdoulaye Ndao ging das Problem von der Seite des Lichts an. Statt ein neues magnetisches Material zu entwickeln, formten die Forscher den Laserstrahl selbst um. Mit einem eigens entworfenen optischen System bündelten, formten und verkleinerten sie das Licht eines Femtosekundenlasers so stark, dass seine Energie auf eine winzige Fläche konzentriert wurde. Diese Fläche setzten sie mehreren ultrakurzen Pulsen hintereinander aus. Die ersten Pulse heizen einen winzigen Bereich so stark auf, dass sich dort die Magnetisierung umkehrt. Die folgenden Pulse vergrößern diesen umgeschalteten Bereich schrittweise, bis er stabil bleibt. Nach den Worten des Erstautors Muhammad Waleed Khalid veränderte das gezielt geformte Licht die physikalischen Vorgänge im Material auf der Mikro- und Nanoskala. Die Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht, die Mitteilung der Universität erschien am 25. September.
Mit dem geformten Strahl überwanden die Forscher beide bisherigen Einschränkungen. Sie schalteten die Magnetisierung in einem deutlich dickeren Material um, das aus neun abwechselnden Lagen von Platin und Kobalt besteht. Solche Schichtsysteme aus Platin und Kobalt sind in der Forschung zu magnetischen Speichern weit verbreitet. Zugleich war das Umschalten nicht mehr von der Polarisation des Lichts abhängig. Damit entfällt eine technische Auflage, die die Konstruktion künftiger Schreibköpfe erschwert hätte. Nach Angaben der Forscher war der Effekt so ungewöhnlich, dass sie viel Zeit darauf verwendeten, die Experimente zu wiederholen und abzusichern, um Kollegen davon zu überzeugen, dass es sich nicht um einen einmaligen Zufall handelte. Möglich wurde die Arbeit durch die Zusammenarbeit von Ndaos Optik-Gruppe mit Eric Fullerton, einem Fachmann für magnetische Dünnschichten am Center for Memory and Recording Research der Universität, zwei Fachgebiete, die sich sonst selten überschneiden.
Der größte Vorteil des optischen Schaltens liegt in der Geschwindigkeit. Die Forscher schätzen, dass es mehr als 1.000-mal schneller sein könnte als die heute üblichen Verfahren, die mit äußeren Magnetfeldern arbeiten. Hinzu kommt die mögliche Speicherdichte. Nach Ndaos Einschätzung gilt eine einfache Regel: Je kleiner der Lichtstrahl, desto kleiner und dichter lassen sich die gespeicherten Bits anordnen. Ein stark verkleinerter Strahl könnte also helfen, mehr Daten auf derselben Fläche unterzubringen. Auch der Energiebedarf könnte sinken, weil das Licht seine Energie gezielt nur dort abgibt, wo ein Bit umgeschaltet werden soll. Die Suche nach neuen Speichertechniken läuft auf vielen Wegen, von magnetischen Verfahren bis zu optischen Medien wie einer Disc, die bis zu 2 Terabyte speichert und Daten 50 Jahre lang halten soll.
Bis zu einem Einsatz in handelsüblichen Speichern ist es noch ein weiter Weg, wie die Forscher selbst betonen. Das Verfahren benötigt derzeit einen spezialisierten Ultrakurzpulslaser, der sich nicht ohne Weiteres in Computerchips oder Schreibköpfe integrieren lässt. Ein möglicher Ausweg besteht darin, magnetische Materialien zu finden, die ähnliche Effekte mit Lasern zeigen, die sich leichter in elektronische Systeme einbauen lassen. Zudem arbeitet das Team daran, den Laserstrahl weiter zu verkleinern, möglichst bis auf wenige Hundert Nanometer. Dafür untersuchen die Forscher optische Strukturen, die Licht auf noch kleinere Flächen bündeln können. Die Schätzung einer mehr als 1.000-fach höheren Geschwindigkeit beschreibt das Potenzial des Prinzips, nicht die Leistung eines fertigen Geräts. Dennoch zeigt die Arbeit einen neuen Weg auf: Statt das Material an das Licht anzupassen, lässt sich das Licht so gestalten, dass es neue Eigenschaften im Material erschließt, die bislang für unmöglich gehalten wurden.
Nature Communications, Optical beam shaping induced reconfigurable magnetic domains; doi:10.1038/s41467-026-77572-3