27. März 2019

Bloß kleine Wellen schlagen

Forscherteam erzeugt ultrakurze Spinwellen in einem erstaunlich einfachen Material

Die Spintronik gilt als vielversprechendes Konzept für die Elektronik der Zukunft. Sie könnte schnellere Computer und sparsamere Smartphones möglich machen. Einem Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun gelungen, sogenannte Spinwellen deutlich einfacher und effektiver zu erzeugen als bislang bekann


Die Neue Strategie: Spinnwellen

Heutige Computerchips basieren darauf, dass elektrische Ladungen transportiert werden: Bei jedem Schaltprozess fließt in einem elektronischen Bauteil ein Strom von Elektronen, die dabei einen Widerstand verspüren und unerwünschte Abwärme erzeugen. Und je kleiner die Strukturen auf einem Chip sind, umso schwieriger wird es, diese Wärme abzuführen. Die ladungsbasierte Architektur ist auch zum Teil der Grund, warum die Taktraten der Prozessoren seit Jahren nicht mehr signifikant steigen. Die Zeiten, in denen die Chips mit schöner Regelmäßigkeit schneller und leistungsfähiger werden, neigen sich dem Ende zu. „Die bestehenden Konzepte stoßen allmählich an ihre Grenzen“, erklärt Dr. Sebastian Wintz vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. „Deshalb arbeiten wir an einer neuen Strategie, den Spinwellen.“

Bei diesem Ansatz werden keine Ladungen mehr transportiert, sondern lediglich der Spin, der „Eigendrall“ von Elektronen in einem magnetischen Material. Die Elektronen bleiben dabei an ihren Plätzen, lediglich die Ausrichtung der Spins verändert sich. Da sich die Spins benachbarter Elektronen gegenseitig spüren, kann sich eine Änderung auf die Nachbarn übertragen. Das Resultat ist ein magnetisches Signal, das als Welle durchs Material läuft – eine Spinwelle. Der Vorteil: Bauteile, die mit Spinwellen arbeiten, würden kaum Abwärme erzeugen und könnten deshalb deutlich weniger Energie verbrauchen – interessant unter anderem für mobile Endgeräte wie Smartphones. Auch eine weitere Miniaturisierung der Bauteile ist für bestimmte Anwendungen denkbar, weil Spinwellen erheblich kürzere Wellenlängen besitzen als vergleichbare elektromagnetische Signale zum Beispiel im Mobilfunk. Dann würden noch mehr Schaltkreise auf einen Chip passen als heute.

Erfahren Sie mehr über die Spinnwellen und ihre Anwendungsmöglichkeiten in den Mitteilungen des HZDR.


Foto ©HZDR/Juniks: Eine ultrakurzwellige Spinwelle (rot) läuft durch eine Nickel-Eisen-Schicht. Etwa in der Mitte der Schicht schwingt die magnetische Richtung (blaue Pfeile) in einer Art Knoten lediglich auf und ab, während die Bewegung in den anderen Teilen kreisförmig – mit unterschiedlichem magnetischen Drehsinn – bleibt.

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