Spintronik

Datenverarbeitung mit tanzenden Elektronen

Von Manfred Lindinger
08.08.2022
, 10:09
Spinwellen haben mit Wasserwellen vieles gemeinsam. Treffen zwei Wellen aufeinander, kommt es zur Überlagerung.
Die Spintronik macht große Fortschritte. Irgendwann soll sie der klassischen Datenverarbeitung auf die Sprünge helfen – Forscher arbeiten intensiv daran.
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Die Eigenschaft des Spins – der Eigendrehimpuls der Elektronen – findet in der Halbleitertechnik kaum Beachtung, sieht man von Computerfestplatten ab. Man nutzt in erster Linie die elektrische Ladung dazu, Informationen zu übertragen, zwischenzuspeichern und zu verarbeiten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass schnellere Schaltkreise und dichtere Speichermedien möglich sind, würde man den Spin statt der Ladung als Informationsträger verwenden. Unter dem Namen Spintronik hat sich inzwischen eine Forschungsrichtung eta­bliert, die neben der Ladung auch den „Drall“ der Elektronen für die schnelle Datenverarbeitung nutzbar machen will.

Elektronen verhalten sich infolge ihres Eigendrehimpulses und der damit verbundenen magnetischen Momente wie winzige Stabmagnete, die sich schnell um die eigene Achse drehen können. Je nach Orientierung lässt sich der Spin von Elek­tronen als binärer Informationsträger mit den Werten „0“ und „1“ verwenden. Die Informationsverarbeitung mit Spins hätte viel Vorteile. So lässt sich der Elektronenspin durch Magnetfelder leichter beeinflussen und steuern, als es mit elektrischen Feldern bei Ladungen möglich ist. Die in den Spins gespeicherte Information reagiert zudem wesentlich weniger stark auf äußere Störungen, etwa auf Streufelder. Auch könnten Daten viel schneller verarbeitet werden. Mit Spins als Informationsträger treten obendrein weniger Wärmeverluste auf, weil keine Elektronen fließen, die mit Atomen des Leiters kollidieren.

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Spannungspulse, die sich elektronisch weiterverarbeiten lassen

Eine erste Anwendung hat die Spintronik in den Schreib-Lese-Köpfen der modernen Computerfestplatten gefunden. Diese Magnetfeldsensoren nutzen einen Effekt, den der deutsche Festkörperphysiker Peter Grünberg am Forschungszen­trum Jülich 1988 entdeckte. Er fand heraus, dass sich die elektrische Leitfähigkeit dünner ferromagnetischer Schichten verändert, sobald sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt werden. In einem Lesekopf, der dicht über eine Festplatte geführt wird, werden die per Spin gespeicherten magnetischen „Einsen“ oder „Nullen“ so in Spannungspulse umgewandelt, die sich elektronisch weiterverarbeiten lassen.

Klassische dynamische Arbeitsspeicher (DRAMs). Wann werden sie von MRAMS ersetzt?
Klassische dynamische Arbeitsspeicher (DRAMs). Wann werden sie von MRAMS ersetzt? Bild: REUTERS

Eine weitere Anwendung der Spintronik sind magnetische Arbeitsspeicher, sogenannte MRAMs. Diese können Informationen schneller speichern und wieder abgeben als die herkömmlichen Schreib-Lese-Speicher eines Mikroprozessors. MRAMs verlieren ihre Daten nicht, wenn die Stromversorgung zusammenbricht. Zudem sind sie sparsam im Energieverbrauch und können beliebig oft beschrieben werden. Die kleinste Speicherzelle eines modernen MRAMs besteht typischerweise aus zwei übereinandergestapelten dünnen ferromagnetischen Schichten, die von einem Isolator getrennt sind. Ein elektrischer Strom mit polarisierten Elektronen, der durch die Zelle geschickt wird, verändert die relative Magnetisierung der beiden Ferromagneten zueinander. Daraus ergeben sich zwei unterscheidbare binäre Zustände der Speicherzelle – „1“ oder „0“. Der aktuelle Wert eines Bits lässt sich über den entsprechenden Widerstandswert auslesen und weiterverarbeiten. Aufgrund des hohen Preises finden MRAMs in erster Linie Verwendung in der Raumfahrt und in industriellen Computersystemen, um bei Stromausfall Datenverluste zu verhindern.

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Spinwellen können gegenseitig überlagern

Will man mit Elektronenspins Daten übertragen und verarbeiten, nutzt man üblicherweise nicht einzelne Spins wie in der klassischen Spintronik als Informationsträger, sondern sogenannte Spinwellen, auch als Magnonen bezeichnet. Spinwellen können sich, ähnlich wie Wasser- oder Lichtwellen, ausbreiten und dabei gegenseitig überlagern. Hierbei bewegen sich die Elektronen selbst nicht durch ein ferromagnetisches Material, sondern sind an ihrem Ort fixiert.

Zur Erzeugung eines Magnons reicht es, die ausgerichteten magnetischen Momente der Elektronen nur ein wenig auszulenken, etwa indem man ein schnell oszillierendes magnetisches Feld anlegt oder eine Mikrowelle einstrahlt. Ist eine Spinwelle angeregt, müssen die benachbarten Spins möglichst gut miteinander gekoppelt sein, weil die sich ausbreitende Welle sonst schnell abklingt. In den meisten Ferromagneten wie Eisen oder Kobalt ist das auch der Fall.

Illustration von zwei Spinwellen. Die Pfeile deuten die Richtung der schwingenden magnetischen Momente (Spins) an
Illustration von zwei Spinwellen. Die Pfeile deuten die Richtung der schwingenden magnetischen Momente (Spins) an Bild: TU Delft

Eine Ausnahme bildet Yttrium-Eisen-Magnat – ein nichtleitender Ferromagnet, der in der Radartechnik schon länger genutzt wird. Verarbeitet man das Material zu einer nanometerdicken Schicht, können sich Spinwellen darin mikrosekundenlang ungestört ausbreiten, und das bei Raumtemperatur. Das ist lang genug, um Magnonen zu manipulieren, etwa indem man sie überlagert und auf diese Weise logische Rechenoperationen ausführt. Dazu werden die Bitwerte „1“ oder „0“ in den Amplituden oder den Phasen der Spinwellen codiert.

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Von einem „Spinwellen-Computing“ noch weit entfernt

Wissenschaftlern aus Kaiserslautern und aus Wien ist es bereits gelungen, erste Bauteile für Spinwellen zu bauen: einen Spintransistor, ein logisches Gatter mit drei Eingängen und einem Ausgang sowie einen Richtkoppler, auch Halbaddierer genannt. Die Schaltelemente haben ihre Entsprechung in der Mikroelektronik und der klassischen Hochfrequenztechnik. Nur mit dem Unterschied, dass keine Ströme geschaltet werden, sondern einlaufende Spinwellen.

Illustration eines  Richtkopplers oder Halbaddierers, dargestellt mit atomarer Struktur. Die ankommende Spinwelle springt von einer Nanodraht-Leitung zur benachbarten  – und zwar dort, wo sich die Leitungen einander nähern.
Illustration eines Richtkopplers oder Halbaddierers, dargestellt mit atomarer Struktur. Die ankommende Spinwelle springt von einer Nanodraht-Leitung zur benachbarten – und zwar dort, wo sich die Leitungen einander nähern. Bild: Niels Paul Bethe

Auch wenn man schon einige Werkzeuge zur Verfügung hat, so ist man von einem „Spinwellen-Computing“ noch weit entfernt. Die existierenden Bauteile sind zum Teil noch zu klobig und können noch nicht mit den gängigen Fertigungsverfahren der Halbleitertechnik hergestellt und damit auf den Computerchips inte­griert werden. Für Experten befindet sich die Magnonik, wie man das Teilgebiet der Spintronik nennt, heute da, wo sich die Halbleiterelektronik noch in den Sechzigerjahren befand. Damals wurden die Transistoren gerade zu den ersten einfachen integrierten Schaltkreisen verdrahtet.

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Dass man sich ausbreitende Spinwellen bereits dazu nutzen kann, um bestimmte elektronische Bauteile in Computern und Handys zu ersetzen, haben kürzlich Forscher von der Universität Halle-Wittenberg gezeigt. Georg Woltersdorf und seine Kollegen haben einen magnetischen Frequenzvervielfacher gebaut, der elektromagnetische Strahlung im Gigahertzbereich erzeugt. Moderne Prozessoren arbeiten typischerweise mit solch hohen Taktraten. Pro Sekunde werden damit Milliarden Rechenschritte erledigt. Erzeugt werden diese hohen Frequenzen üblicherweise, indem man die niedrigere Frequenz eines Eingangssignals, erzeugt von einem Oszillator, vervielfacht. Das geschieht meist mit nichtlinearen elektrischen Schaltkreisen. Diese verbrauchen aber viel Energie und erzeugen entsprechend viel Wärme.

Die Forscher um Woltersdorf sind, wie sie in „Science“ berichten, eher zufällig auf den Effekt gestoßen, als sie ein mit 15 Megahertz oszillierendes Magnetfeld an eine ferromagnetische Legierung aus Eisen und Nickel legten. Als Ergebnis erhielten sie eine Reihe von Frequenzen, die Vielfache der Anregungsfrequenz waren. Nach Ansicht der Forscher kam es zur Ausbildung eines Spin-Wellenpakets, das sich ohne Änderung seiner Form in der Legierung ausbreitete. Dabei strahlte das Soliton gleich mehrere Frequenzlinien aus. Ob und wann der spintronische Frequenzvervielfacher den Takt auf einem Computerchip schlägt, ist indes ungewiss. Fest steht: In der Spintronik steckt viel Potential, das es zum großen Teil noch zu entdecken gilt.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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