Chip-Alternative? Physiker führen logische Operationen mit Spinwellen durch

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Deutschen Forschern gelang zum ersten Mal die Verarbeitung von Informationen über eine Spinwelle in der Praxis. Rechner auf Basis von Quantenwellen könnten eine Alternativen zu den aktuell verwendeten Prozessoren und Halbleitern sein, die mit Elektronen arbeiten.

Ein Prozessor arbeitet im Grunde so, dass in sehr kurzen Abständen Elektronen durch Leiterbahnen geschickt werden. Nachdem die Prozessoren aber immer kleiner werden, stößt die Informationsverarbeitung mit Elektronen an Grenzen. Eine der möglichen Alternativen ist die Informationsverarbeitung über Spinwellen, so genannten Magnonen.

Nun haben Physiker an der Technischen Universität Kaiserslautern Informationen über Spinwellen in einem Logikgatter verarbeitet. Damit wollen die Forscher das Verarbeiten und Übertragen von Daten schneller und effizienter machen, weil durch diese Spinwellen einerseits mehr Informationen übertragen werden können und zum anderen weniger Abwärme als beispielsweise bei Elektronen produziert wird.

“Ein Spin beschreibt den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, etwa bei einem Elektron oder Proton”, erklärt Doktorand Tobias Fischer, Autor der aktuellen Studie, die jetzt in dem Fachblatt “Applied Physics Letters” veröffentlicht wurde. “Es bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene.” Diese Spinwellen lassen sich auf Quantenebene etwa mit dem Phänomen der Schallwellen vergleichen.

Fischer hat untersucht, ob Spinwellen in einem sogenannten logischen Gatter verarbeitet werden können. Bisher verarbeiten solche Bauteile Informationen mit Hilfe von elektrischem Strom. Sie kommen zum Beispiel in Computern in Form von Transistoren zum Einsatz. Die Signalkodierung bei einem solchen Logikgatter erfolgt über die Zustände “0” und “1”.

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Das Bauteil der Kaiserslauterer Physiker hat die Form eines Dreizacks und besteht aus dem Mineral Yttrium-Eisen-Granat, das magnetisch ist. “In die einzelnen Zacken werden Spinwellen eingespeist. Wichtig ist hierbei die Phase, also ob relativ zu einer Referenzzeit gerade ein Wellenberg oder ein Wellental anliegt”, so der Dokorand weiter.

Physiker der TU Kaiserslautern haben die Informationsverarbeitung durch Spinwellen in diesem technischem Bauteil demonstriert. (Bild: AG Hillebrands/TU Kaiserslautern)
Physiker der TU Kaiserslautern haben die Informationsverarbeitung durch Spinwellen in diesem technischem Bauteil demonstriert. (Bild: AG Hillebrands/TU Kaiserslautern)

In der Folge laufen diese Wellen durch alle drei Zacken zum anderen Ende ähnlich wie eine Zuschauer-Welle im Fußballstadion. Am Knotenpunkt des Dreizacks überlagern sich die Wellen schließlich. “Durch diese Interferenzen kommt es zu einer Verschiebung der Wellenberge und -täler”, so Dr. Andrii Chumak, Mitautor der Studie, die der Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TU Kaiserslautern entstand. “Diese Signale, die sogenannten Phasenverschiebungen, können wir auslesen.”

Vor der praktischen Umsetzung wurden diese Wellen und Interferenzen in verschiedenen Simulationen untersucht. Fischers Kollegen hatten diese Wellen bereits zuvor in Simulationen analysiert.

Techniken wie diese könnten künftig das Verarbeiten von Informationen wesentlich schneller und effizienter gestalten, etwa als Alternative für Halbleiter-basierte Technologien. “Im Gegensatz zu elektrischem Strom hätte man weniger Verluste durch Abwärme”, so Fischer. Ob oder wann diese neue Technologie den Weg in die Fertigung finden wird, teilten die Forscher nicht mit.

Ein Magnetwirbel, in dessen Spitze eine Spinwelle entsteht. So ist es möglich Wellenlängen einzustellen, die für die praktische Nutzung dieser Magnonen verwendet werden können. (Bild: HZDR)
Ein Magnetwirbel, in dessen Spitze eine Spinwelle entsteht. So ist es möglich Wellenlängen einzustellen, die für die praktische Nutzung dieser Magnonen verwendet werden können. (Bild: HZDR)

Vergangenes Jahr wurde zum ersten Mal am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf eine kurzwellige Spinwelle produziert, was den Weg für eine praktische Anwendung der Wellen in der Informationsverarbeitung frei machte. Bislang wurden für die Erzeugung einer solchen Welle sehr kleine Antennen verwendet. Die internationale Forschergruppe des Helmhotz-Zentrums hatte die Welle im Zentrum eines magnetischen Wirbels in einem ferromagnetischen Plättchen erzeugt. In diesem Wirbel richten sich die Spins auf.

Die Forscher haben dann auf das Plättchen mit einer sehr dünnen, nichtmagnetischen Schicht ein weiteres magnetisches Plättchen aufgelegt, und damit die Wellenlänge der Spinwelle so reduziert, dass diese für die Informationsverarbeitung eingesetzt werden kann. Die Forscher waren außerdem in der Lage, durch eine Anregungsfrequenz die Länge der Spinwellen exakt einzustellen.

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