Synthese und Molekülstruktur des Molekülkomplexes [Dy (Cp ttt ) 2 ] [B (C 6 F 5 ) 4 ] mit Dysprosium (Dy)Wissenschaftler der Universität Manchester haben eine Datenspeichermethode entwickelt, mit der eine Informationsdichte erreicht werden kann, die etwa 100-mal höher ist als bei Verwendung vorhandener Technologien. Das heißt, ungefähr 25 Terabyte an Informationen können in einem Gerät mit einem Volumen von ungefähr einer Fünf-Rubel-Münze gespeichert werden.
Das Verfahren beinhaltet das Speichern von Daten in Einzelmolekülmagneten mit Dysprosiumatomen, die während des Experiments eine
magnetische Hysterese zeigten, einen Memory-Effekt, wie der von Pheromagneten in Permanentmagneten und auf der Oberfläche von Festplatten.
Die Hysterese in Molekülen mit Dysprosiumatomen tritt bei der höchsten Temperatur auf, die bisher erreicht wurde - bei 60 K, d. H. –213 ° C. Dies ist ein konzeptionelles Experiment, mit dem die Realisierbarkeit einer Methode demonstriert werden soll. Wissenschaftler schlagen vor, dass die Schaffung kommerzieller Systeme unter Verwendung dieser Technologie in naher Zukunft unter der Bedingung eines „vernünftigen molekularen Designs“ möglich sein wird.
Das Potenzial für die molekulare Speicherung von Daten ist enorm. Diese Technologie ermöglicht eine Informationsdichte von 200 Terabit pro Quadratzoll, was von keiner der vorhandenen Technologien genau demonstriert wird.
"Dies ist sehr interessant, da die magnetische Hysterese in einzelnen Molekülen die Fähigkeit impliziert, binäre Daten zu speichern", sagt Dr. Nicholas Chilton von der
School of Chemistry an der Universität von Manchester. - Die Verwendung einzelner Moleküle zur Datenspeicherung kann theoretisch die Datendichte im Vergleich zu bestehenden Technologien um das 100-fache erhöhen. Hier nähern wir uns der Temperatur von flüssigem Stickstoff. Dies bedeutet, dass das Speichern von Daten in einzelnen Molekülen wirtschaftlicher wird. “
Die Wirkung des magnetischen Speichers ist eine notwendige Voraussetzung für jedes Datenspeichersystem auf magnetischen Medien. Obwohl die Temperatur von –213 ° C für den praktischen Einsatz der Technologie zu niedrig erscheint, handelt es sich tatsächlich um eine ziemliche Arbeitstemperatur. Bereits in den Kühlsystemen von Rechenzentren wird flüssiges Helium mit einer Temperatur von –269 ° C verwendet. Und die relativ hohe Betriebstemperatur des neuen Systems ermöglicht die Verwendung von billigerem flüssigem Stickstoff (–196 ° C), wenn es etwas weiter angehoben wird. Tatsächlich wird dieses Ziel von den Autoren wissenschaftlicher Arbeiten festgelegt. Sie beabsichtigen, die Betriebstemperatur des Systems zu erhöhen, idealerweise über die Temperatur von flüssigem Stickstoff.
Fast 25 Jahre sind seit der Entdeckung von Einzelmolekülmagneten vergangen, aber während dieser Zeit konnten Physiker die Hysteresetemperatur bei einer Magnetfelddurchlaufgeschwindigkeit von etwa 20 Oersts pro Sekunde von 4 K auf nur 14 K erhöhen. Höhere Temperaturen wurden nur bei höheren Wobbelgeschwindigkeiten des Magnetfeldes beobachtet (z. B. 30 K bei 200 Oe / s). Die derzeitige Entdeckung der 60-K-Hysterese bei nur 22 Oe / s ist eine sehr bedeutende Leistung, ein echter Durchbruch bei Einzelmolekülmagneten.
In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein Lanthanid namens
Dysprosium und speziell einen Molekülkomplex [Dy (Cp
ttt )
2 ] [B (C
6 F
5 )
4 ], wobei Cp
ttt = {C
5 H
2 t Bu
3 -1,2 , 4} und
t Bu = C (CH
3 )
3
Magnetische Hysterese (links) und Relaxationsdynamik (rechts)Lanthaniden sind Metalle mit Ordnungszahlen von 57 bis 71, dh von Lanthan bis Lutetium. Diese Seltenerdmetalle werden heute in der Industrie häufig zur Herstellung verschiedener elektronischer Geräte wie Smartphones, Tablets und Laptops verwendet.
Dysprosium ist ein chemisches Element mit der Nummer 66. Es kommt in der Natur nicht in seiner reinen Form vor, sondern ist Teil einiger Mineralien, beispielsweise Xenotim. Es wird zusammen mit anderen Lanthaniden abgebaut. Eine der größten Lagerstätten der Welt befindet sich auf der Kola-Halbinsel in Russland. Dysprosium wird immer noch zur Herstellung von Hochleistungsmagneten sowie in der Kernenergie, Elektronik, Metallurgie, medizinischen Lasern, Katalysatoren und auch als starkes magnetostriktives Material verwendet, dh es ändert seine linearen Abmessungen während der Magnetisierungsumkehr.
Das Material demonstrierte die Eigenschaften der Hysterese so, dass die Wissenschaftler zwei Schlussfolgerungen zogen: Erstens sind diese Eigenschaften nur für Dysprosium gültig, und zweitens sollte die Hysterese auch bei höheren Temperaturen beobachtet werden, einschließlich oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff. Dies wird Gegenstand zukünftiger Forschung sein.
Eine 100-fache Erhöhung der Informationsdichte von Laufwerken bedeutet, dass Speichergeräte kompakter werden und weniger Strom verbrauchen. Die Eigentümer von Rechenzentren werden am meisten davon profitieren. Beispielsweise werden 2,5 Millionen Server in 15 Google-Rechenzentren betrieben (
Stand 2016 ).
Rechenzentren verbrauchen sehr viel Strom. Laut Umweltschützern kann ihr Anteil bis zu 2% des gesamten globalen Energieverbrauchs betragen. Vielleicht sind dies leicht überschätzte Zahlen, aber jede energieeffiziente Technologie für Rechenzentren kommt nicht nur den Eigentümern von Rechenzentren, sondern der gesamten Ökologie des Planeten zugute.
Der wissenschaftliche Artikel wurde am 23. August 2017 in der Zeitschrift
Nature (doi: 10.1038 / nature23447) veröffentlicht.