Spintronik entwickelt Elektronik der nächsten Generation
Ein Physiker-Team aus fünf europäischen Universitäten hat eine Methode für die Nutzung von Spin-Strömen entwickelt, um Informationen ohne das Bewegen elektrischer Ladungen zu verarbeiten. Die Forschung, die im Rahmen des EU-geförderten Projekts INSPIN durchgeführt wird, stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem aufstrebenden Gebiet der Spintronik - der Untersuchung der Elektronenspineigenschaften - dar und könnte den Weg für neue Alternativen in der konventionellen Elektronik in der Zukunft ebnen. Magnonen, die Quasiteilchen, die mit den Anregungen magnetischer Materialien, den sogenannten Spinwellen, assoziiert sind, werden als interessante Kandidaten für die Übertragung von Informationen betrachtet, da sie eine geringe Energiedissipation aufweisen. Neue Art der Informationsübertragung Das INSPIN-Team hat in den letzten drei Jahren Möglichkeiten entwickelt, Spinströme in magnetischen Isolatoren zu erkennen, zu manipulieren und zu transportieren. „ Ein Magnon ... verhält sich wie ein Teilchen, obwohl es eigentlich eine Welle ist und diese trägt die Information“, sagt Arne Brataas, Projektkoordinator und Professor für Physik an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie. „Indem wir diese Welle manipulieren, können wir die Art und Weise verändern, wie wir Informationen manipulieren und transportieren können.“ Damit dies funktioniert, muss diese neuartige Isolator-Spintronik nahtlos in die konventionelle Elektronik integriert werden können. Die richtige Schnittstelle zwischen Isolator und Metall zu finden war daher unerlässlich. „Die größte Herausforderung war die Umwandlung des elektrischen Signals in diesen Spin innerhalb des Isolators und der damit verbundene Prozess, um dieses zu extrahieren - wie das Signal hinein und hinauskommt“, sagt Prof. Brataas. „Das war schwierig, weil wir zu Beginn des Projekts nicht wussten, welcher Mechanismus, der für die Übertragung der Informationen von der elektrischen Ladung auf den Spin zuständig war, dominierte.“ Das Team untersuchte auch, ob verschiedene Materialkombinationen die Umwandlung mehr oder weniger effizient machen würden. „Es wurde viele verschiedene Arten von Materialien untersucht, aber wir stellten fest, dass die Umwandlung recht robust ist und damit nicht so sehr von der Art des Materials abhängt“, so Prof. Brataas. Weniger Wärmeentwicklung Die Tatsache, dass diese neue Art des Informationsaustausches nur einen sehr geringen Energieverbrauch besitzt, ist bedeutend. Bei Vorrichtungen, die auf herkömmlicher, ladungsbasierter Elektronik basieren, sieht es so aus, dass je kleiner sie sind umso schwerer ist es eine Überhitzung zu vermeiden. „Eines unserer Motivationen dabei ist, Wege zu zur Informationsverarbeitung zu finden, die weniger Wärme erzeugen“, so Prof Brataas, „wenn uns eine geringe Leistung gelingt, können wir Signale ohne eine große Wärmeentwicklung generieren.“ Drei Jahre nach Projektbeginn hat das INSPIN-Team sein Hauptziel erreicht. Durch die Herstellung eines Transistors, der völlig auf Spin basiert, wurde eine völlig unterschiedliche Einheit für die Übertragung von Informationen verwendet. Obwohl INSPIN nun beendet ist, werden die beteiligten Forscher dieses Gebiet der Grundlagenforschung weiter verfolgen. Sie werden das weiterentwickeln, was ihrer Meinung nach das Potenzial besitzt, sich zu einer revolutionären, umwälzenden Technologie in der Zukunft zu entwickeln.
Schlüsselbegriffe
INSPIN, Spintronik, Spinströme, Magnonen, magnetische Isolatoren, Energiedissipation
