Stuart Parkin revolutionierte die Festplattenspeicherung

Unsere Welt ist datenzentriert. Viele moderne Erfindungen und Berufe sind auf Daten angewiesen. Künstliche Intelligenz hat Spaß daran. Maschinelles Lernen identifiziert Muster darin. Geräte des Internets der Dinge erzeugen und übertragen es. Genomik, Bioinformatik, Klimawissenschaften, Telekommunikation, Finanzen, Gesundheitswesen und viele andere Bereiche hängen davon ab.

Damit große Datensätze nützlich sind, müssen sie auf irgendeine Weise gespeichert werden. Mehr als 70 % der weltweiten Daten werden auf Magnetplatten-Arrays gespeichert, die allesamt sogenannte Spintronik-Technologien verwenden, die von Stuart Parkin entwickelt wurden.

Parkin, Direktor des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle, Deutschland, ist der jüngste Empfänger des Draper-Preises für Ingenieurwissenschaften, der als höchste amerikanische Auszeichnung in dieser Disziplin gilt.

Kurz für elektronischer RotationstransportDie Spintronik nutzt sowohl die intrinsische magnetische Eigenschaft des Elektrons (seinen Spin) als auch seine elektrische Ladung, um elektronische Geräte zu verbessern. Spintronik kann sie energieeffizienter machen, schneller auf Daten zugreifen oder riesige Informationsmengen speichern.

Traditionell beruhte das Gebiet der Elektronik einfach auf der Manipulation der Ladung des Elektrons. Allerdings nutzt die Spintronik auch das „natürliche“ magnetische Moment der Elektronen aus.

Mit dem Draper-Preis ehrt die National Academy of Engineering der Vereinigten Staaten einen Ingenieur, dessen Leistungen „einen erheblichen Einfluss auf die Gesellschaft hatten, indem sie die Lebensqualität verbesserten, die Möglichkeit boten, frei und bequem zu leben und/oder den Zugang zu Informationen ermöglichten.“

„Es ist immer eine große Ehre und Überraschung, eine Auszeichnung zu erhalten, denn es gibt viele fantastische Wissenschaftler, die diese Auszeichnung hätten erhalten können“, sagt Parkin, Mitglied von IEEE und NAE. „Dieser ist besonders besonders, weil es eine unglaubliche Reihe früherer Gewinner gibt, deren bedeutende Beiträge zur Technologie die Welt zu einem besseren Ort gemacht haben. Es ist unglaublich, Teil dieser wunderbaren Wissenschaftler zu sein.

Supraleiter und Magnetplattenlaufwerke

Parkin hat eine Humboldt-Professur an der Martin-Luther-Universität, ebenfalls in Halle, inne.

Er erfand Spintronik-Technologien bei IBM, wo er 32 Jahre lang arbeitete. Die meiste Zeit verbrachte er im berühmten Almaden Research Laboratory in San Jose, Kalifornien. IBM baute das Labor drei Jahre nach der Einstellung von Parkin.

Als er 1982 anfing, beschäftigte IBM seiner Meinung nach etwa 10.000 Menschen, die an Magnetplattenlaufwerken zur Speicherung arbeiteten. Seine Mission sei ein Traumjob gewesen, sagt er: explorative Forschung durchzuführen, die zur Verbesserung der Speichertechnologie des Unternehmens beitragen könnte.

Er sei zur richtigen Zeit am richtigen Ort gewesen, sagt er: „Erst ein Jahr zuvor waren neue organische Metalle entdeckt worden, die unter Druck bei relativ niedrigen Temperaturen zu Supraleitern wurden.“

„Es hat viel Spaß gemacht und war der Beginn von etwas ganz Neuem.“

Er arbeitete mit Physikern und Chemikern bei IBM zusammen, die schließlich 1983 eine Familie organischer Supraleiter entdeckten. Die Arbeiten gingen in den nächsten Jahren voran, aber danach, so Parkin, entschied IBM, dass es nicht mehr notwendig sei, ein paar Dutzend Leute arbeiten zu lassen nur auf organischen Metallen.

Seine Vorgesetzten beauftragten ihn mit der Leitung einer Magnetismus-Forschungsgruppe für eine effizientere Datenspeicherung. Er kannte sich bereits mit Magnetismus aus, dem Thema seiner Doktorarbeit in Physik. These.

Parkin vertiefte sich in alles rund um die Magnetoelektronik, beriet sich mit Experten auf der ganzen Welt und nahm an Konferenzen teil. Er war fasziniert von der Arbeit an magnetischen Multischichten, das sind Materialien aus dünnen Filmen mit abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten.

Die damalige Forschung zeigte, dass diese Materialien „interessante Eigenschaften hatten, die es ermöglichen könnten, viel mehr Daten auf viel effizientere Weise zu speichern“, sagt Parkin.

Zwei Jahre Warten auf eine Molekularstrahlepitaxiemaschine

Parkin entschied, dass das IBM-Team fortschrittlichere Filmabscheidungstechniken benötigte, um magnetische Mehrschichtstrukturen aufzubauen. Er forderte das Management auf, eine Molekularstrahlepitaxiemaschine (MBE) im Wert von 1,25 Millionen US-Dollar zu kaufen, mit der dünne Filme präzise hergestellt werden können.

Die Führungskräfte genehmigten seinen Antrag, doch es dauerte zwei Jahre, bis die Maschine geliefert wurde. Es sollte in einem Traumlabor untergebracht werden, das Parkin in einem neuen Forschungszentrum auf einem Hügel, ein paar Meilen von Almaden entfernt, entworfen hatte.

„Die Maschine war bereit und das Labor wollte gerade öffnen, als sich plötzlich ein Manager zu mir umdrehte und sagte: ‚Oh nein, Sie haben keine Ahnung von dünnen Filmen.‘ Wir beauftragen einen Experten. Jemand aus Westinghouse kam herein und plötzlich war es sein Labor; nicht meins“, erinnert sich Parkin.

Parkin sagt, er habe sich nicht abschrecken lassen, sei aber auch ohne die teure MBE-Maschine ausgekommen. Also stürmte er in einen Gerätelagerraum voller Maschinen, die IBM nicht mehr benutzte. Mit einer Ultrahochvakuumkammer, einer Ionenpumpe und einem speziellen Flansch sowie Magnetronsputtern, einer veralteten Vakuumbeschichtungsmethode, baute er erfolgreich sein eigenes Filmbeschichtungssystem. Es könnte täglich 20 verschiedene Mehrschichtstrukturen herauspumpen, um Experimente mit dünnen Filmen und Materialien durchzuführen.

„Ich könnte selbst viele verschiedene Filme machen, Hypothesen sofort testen und viele Entdeckungen machen“, sagt er. „Rückblickend war der Verlust des Labors eine gute Sache. Die Verwendung des MBE-Systems war äußerst zeitaufwändig und mein veraltetes Sprühsystem war schneller und effizienter.

Letztendlich entwickelte er drei verschiedene spintronische Technologien. Eine davon – eine Methode zur Erzielung sehr hoher Tunnelmagnetoresistenz in Materialien bei Raumtemperatur – hat eine massive Steigerung der digitalen Datenspeicherfähigkeiten ermöglicht.

„Wenn man etwas Neues entdeckt, gewinnt man neue Einblicke in die Funktionsweise der Welt.“

Als IBM von Hardware auf Software umstieg, wurde Parkin beratender Professor an der Stanford University, wo er seine Frau Claudia Felser kennenlernte, eine deutsche Chemikerin und Materialingenieurin. Felser kam bald als „Scientist-in-Residence“ zu Planck, und kurz darauf erfuhr Parkin, dass das Max-Planck-Institut einen Direktor suchte, um seine 30 Jahre alte Gruppe für Mikrostrukturphysik neu zu organisieren und wiederzubeleben.

Das von Bund und Ländern geförderte Institut widmet sich der Förderung der Forschung in den Natur-, Lebens- und Geisteswissenschaften. Es betreibt weltweit 84 Einzelinstitute und andere Einrichtungen.

Parkin nahm die Stelle an und zog nach Halle.

Das Institut „ist insofern wie IBM von früher, als die Philosophie darin besteht, Forschern ausreichend Mittel zur Verfügung zu stellen, damit sie sich auf die Weiterentwicklung der Wissenschaft konzentrieren können“, sagt er. „Wir wollen Grundlagenforschung betreiben, um in den nächsten 5, 10 und 20 Jahren einen technologischen Einfluss auf die Welt zu haben.“ »

Parkin sagt, er wende bei der Beratung von Doktoranden die gleiche Philosophie an. Studierende der Martin-Luther-Universität.

„Die Aufgabe besteht darin, sie zu ermutigen, das Unmögliche zu tun. Was für eine schöne Sache“, sagte er. „Es ist großartig zu sehen, wie viele von ihnen kreativ werden und über das hinausgehen, was sie für möglich gehalten haben.“

„Wenn man etwas Neues entdeckt, gewinnt man neue Einblicke in die Funktionsweise der Welt. Ich hoffe, dass dies den Schülern gefallen wird.

Spintronik verbessert den Zugang zu Wissen

Aufgewachsen in Manchester, England, und dann in Edinburgh, sei Parkin schüchtern gewesen, sagte er, und habe einen Großteil seiner Zeit mit Lesen verbracht.

„Ich denke gerne, dass Papierbücher heutzutage nicht mehr so ​​notwendig sind, weil alles digital ist“, sagt er. „Es ist erstaunlich, dass ich in diesem Prozess eine Rolle gespielt habe, denn dadurch wird all dieses Wissen für uns alle zugänglicher.“ Ich finde es unglaublich.

Allerdings waren Bücher nicht die einzigen Begleiter von Parkin, als er jung war. Er fühlte sich zu Pflanzen hingezogen und legte insbesondere eine Sammlung von Kakteen an. Er staunte darüber, dass sie zum Gedeihen nur Sonnenschein und etwas Wasser brauchten. Dies ließ ihn über die zugrunde liegende Biologie nachdenken.

„Ich finde die Natur so schön und unglaublich“, sagt er. „Ich wollte verstehen, wie es möglich ist, dass sich so unterschiedliche Formen, Farben und eine Vielzahl von Formen vermehren können. Die Natur ist so einfach und doch so komplex.

Seine Faszination für die Natur veranlasste ihn, die Grenzen von Technologie und Ingenieurwesen zu erweitern, vor allem um die Welt besser zu verstehen. Er sagt: „Das ist es, was Wissenschaft für mich bedeutet.“ »

Parkin erhielt ein Stipendium für das Trinity College in Cambridge, England, wo er Physik und theoretische Physik studierte. 1977 erwarb er gleichzeitig einen Bachelor- und einen Master-Abschluss in Physik und promovierte später zum Dr. im Jahr 1980. Er zog nach Paris, um seine Postdoktorandenforschung zur organischen Supraleitung unter der Leitung seines Mentors Richard Friend abzuschließen. Zwei Jahre später wurde Parkin von IBM eingestellt.

IEEE ist eine Stimme für Wissenschaft und Technik

Als Wissenschaftler ist sich Parkin bewusst, dass „die meisten Menschen die Technologien, die ihr Leben unterstützen, nicht zu schätzen wissen, von Abwassersystemen, zuverlässigem Strom und sauberem Wasser bis hin zu Erfindungen wie dem iPhone.“ Sie machen unser Leben einfacher, aber sie alle hängen von einer Vielzahl von Technologien ab, die jahrelange Forschung erfordern.

Die Unterstützung dieser Forschung und der Ingenieure und Wissenschaftler, die sie unterstützen, sei der Grund, warum er Teil des IEEE bleibe, sagt er, weil die Organisation eine Stimme für die Wissenschaft sei.

„Wir brauchen eine bessere Darstellung der Bedeutung von Wissenschaft und Technik für die Lösung globaler Herausforderungen“, sagt Parkin. „Sie sind ein wichtiger Schlüssel, um die Welt zu einem besseren Ort zu machen.“