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Wenn wir heute Musik und Videos aus dem Internet streamen können, verdanken wir das nicht zuletzt dem Physiker Stuart Parkin. Es sind seine Erfindungen auf dem Gebiet der Spintronik, dank derer sich die Datendichte auf Festplatten um das 1000-fache erhöhen ließ und dank derer Computer-Clouds heute riesige Datenmengen speichern können. Dafür erhält der Direktor am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle und Humboldt-Professor der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nun den Millennium Technologie Preis der finnischen Akademie für Technologie. Die mit einer Million Euro dotierte Ehrung gilt als Nobelpreis auf dem Gebiet technischer und medizinischer Innovationen.
Der Max-Planck-Gesellschaft, der MLU und der Alexander von Humboldt-Stiftung war es gelungen, den Physiker nach Halle zu holen.
Parkin forschte bisher bei IBM und an der Universität Stanford. Der Computerindustrie haben Stuart Parkins Entdeckungen zu einem Blockbuster verholfen. Mit seiner Forschung zu dünnen magnetischen Schichten schuf er bei IBM die Basis, auf der das Unternehmen einen neuen Lesekopf für Festplatten entwickelte. Dieser liest Daten auch aus sehr dicht gepackten magnetischen Speichermaterialien zuverlässig aus. Mit einem Mal ließen sich auf Festplatten 1000 Mal mehr Daten unterbringen als zuvor. So wurde die Ära von „Big Data“, also der Umgang mit großen Datenmengen, überhaupt erst möglich. Nicht zuletzt deshalb können wir einander heute problemlos Filme und Bilder über soziale Netzwerke oder Computer-Clouds, Gruppen vernetzter Rechner, zur Verfügung stellen.

Für die Forschung auf dem Gebiet der Spintronik, die der Innovation zugrunde liegt, zeichnet Finnlands Akademie für Technologie Stuart Parkin mit dem Millennium Technologie-Preis 2014 aus - dem weltweit größten Technologie-Preis. „Ich war sehr überrascht, als ich erfuhr, dass mir dieser renommierte Preis zugedacht ist“, sagt Stuart Parkin. „Ich empfinde diese Auszeichnung als eine große Ehre.“

Ein Ventil für elektronische Spins macht einen Lesekopf besonders sensibel

Parkin entwickelte eine Art Spin-Ventil aus zwei magnetischen Materialien, deren Magnetisierung sich unterschiedlich leicht ändern lässt. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft und macht etwa Elektronen zu winzigen Magneten. In einem Magnetfeld orientieren sich die Spins, also die Magnete, entlang der Magnetfeldlinien. In einem magnetischen Material entsteht so eine magnetische Ordnung, in der sich die Spins der Elektronen regelmäßig ausrichten.

Liegt zwischen zwei dünnen magnetischen Schichten, die von der dünnen Lage eines Metalls getrennt werden, eine Spannung an, fließen die Elektronen von einer Magnetschicht in die andere. Wie hoch der elektrische Widerstand des magnetischen Sandwiches ist, hängt davon ab, ob die beiden magnetischen Schichten in gleicher oder entgegengesetzter Richtung gepolt sind. Der Effekt dieses Riesenmagnetwiderstands, für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg mit dem Nobelpreis geehrt wurden, lässt sich ausnutzen, um Information aus dem magnetischen Speicherpunkt einer Festplatte auszulesen. Voraussetzung ist allerdings, dass das Magnetfeld des Speicherpunktes nur eine der magnetischen Schichten umpolen kann. Genau das ist im Spin-Ventil der Fall, das über die Widerstandsänderung die Polung des Speicherpunktes verrät. Da es auf viel kleinere Magnetfelder reagiert als andere Leseköpfe, lassen sich die einzelnen Speicherpunkte auf einer Festplatte drastisch verkleinern und die Speicherdichte deutlich erhöhen.

Stuart Parkin hat nach diesem Prinzip nicht nur Leseköpfe für Festplatten konzipiert, sondern auch eine neue Art von Random-Access Memory (RAM), die bisher etwa als Arbeitsspeicher von Computern verwendet werden. Der magnetische RAM, den Stuart Parkin entwickelt hat, könnte die Trennung zwischen Arbeitsspeicher und Festplattenspeicher endgültig überflüssig machen. In den letzten Jahren arbeitet Parkin zudem an einem Racetrack Memory, mit dem sich Daten in drei statt in zwei Dimensionen speichern lassen könnte. So ließe sich die Datendichte in Speichermedien noch einmal deutlich erhöhen.

Ein Gewinn für den Forschungsstandort Halle

Die Forschung an Datenspeichern wird Stuart Parkin nun in Halle fortsetzen, wo er seit Anfang April Max-Planck-Direktor und Humboldt-Professor an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg ist. „Mit diesem herausragenden Forscher können wir die wissenschaftliche Erfolgsgeschichte des Instituts fortschreiben und verhelfen dem Forschungsstandort Halle auch in Zukunft zu internationaler Sichtbarkeit“, sagt Peter Gruss, Präsident der Max-Planck-Gesellschaft.

Um Parkin für Halle zu gewinnen, haben die Max-Planck-Gesellschaft, die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und die Alexander von Humboldt-Stiftung gemeinsame Anstrengungen unternommen. „Es freut uns außerordentlich, dass es uns durch die sehr gute Partnerschaft der Universität und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik gelungen ist, den Ausnahmewissenschaftler Stuart Parkin hierher zu holen“, sagt Udo Sträter, Rektor der Universität.

In Halle wird Stuart Parkin unter anderem Schichten erforschen, die nur wenige Atomlagen dick sind, um etwa ein besseres Verständnis von Spin-Strömen zu erreichen. In Spin-Strömen kommt es nicht nur auf die Ladung von Elektronen an, sondern auch auf deren Spin. Wenn Forscher diese Ströme im Detail verstehen, können sie die Entwicklung der Spintronik vorantreiben. Spintronische Datenchips könnten kleiner und stromsparender sein als elektronische Chips. Außerdem möchte Parkin das Konzept für eine völlig neue Art von Datenspeichern entwickeln. Diese sollen ihre Eigenschaften ähnlich wie das menschliche Gehirn während des Betriebs an neue Aufgaben anpassen. „Solche kognitiven Speicher könnten eine Million Mal weniger Strom brauchen als heutige Speicher“, sagt der Physiker.