Auf einem Chip: Daten speichern und verarbeiten

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Forscher arbeiten daran, die bisherige räumliche Trennung von Speicher- und Rechenchip aufzuheben. Das wollen sie erreichen, in dem sie magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern beeinflussen.

Die Spintronik (aus ‘Spin’ und ‘Elektronik’) gehört zur Nanoelektronik und hat sich zu einer global verwendeten Technik für Computerfestplatten entwickelt. Elektronische Bauteile, die abwechselnd aus dünnen magnetischen und unmagnetischen Schichten bestehen, nutzen magnetischen Eigenschaften (den Spin) der Elektronen, um Daten und Informationen auszulesen, die auf einer Festplatte gespeichert sind.

Grundlage dafür ist der physikalische Effekt ‘Riesenmagnetowiderstand’ (oder GMR-Effekt). Peter Andreas Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und der Franzose Albert Fert erhielten für die Entdeckung des Effektes den Physik-Nobelpreis. Die Speicherkapazität von Laufwerken konnte mit dem GMR-Effekt in den Gigabite-Bereich gesteigert werden. GMR-Produkte gibt es von IBM, Hitachi hat sie angekündigt. Die Datenverarbeitung im Computer beruht dagegen darauf, dass die elektrisch geladenen Elektronen in einer Schaltung fließen, die in einen Mikrochip geätzt ist.

Forscher des Queen Mary College London, der Universität Freiburg (Schweiz) und des Paul Scherrer Instituts (Schweiz) haben jetzt untersucht, wie Schichten von Lithiumfluorid – das ein inneres elektrisches Feld besitzt – die Spins der Elektronen verändern können, die durch einen Halbleiter fließen.

“Während es einfach ist, sich theoretisch vorzustellen, wie man in einem Bauteil Spin und Ladung der Elektronen kombinieren kann, haben wir als erste gezeigt, dass es möglich ist, Spins gezielt mit Hilfe elektrischer Felder zu kontrollieren”, sagte Forschungsleiter Dr. Alan Drew vom Queen Mary College. “Das Spannende ist, dass wir diese Entdeckung an flexiblen organischen Halbleitern gezeigt haben – Materialien, aus denen Handydisplays, Fernseher und Computermonitore der nächsten Generation bestehen dürften. Unsere Entdeckung könnte bedeuten, dass solche Geräte in Zukunft deutlich energieeffizienter und leichter sein werden.”

Die Methode nutzt demnach die magnetischen Eigenschaften von Myonen – instabilen Elementarteilchen. “In einem solchen Experiment schießt man Myonen in das Material hinein. Wenn die Myonen dann zerfallen, tragen die Zerfallsprodukte Information über magnetische Prozesse im Inneren des Materials”, erklärte Dr. Andreas Suter vom Paul Scherrer Institut, an dem dieses Verfahren entwickelt worden ist. In der Zeitschrift ‘Nature Materials’ berichten die Forscher ausführlich darüber, wie sie magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern beeinflusst haben.