Der Speicher Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) wird künftig
die Grundlage der digitalen Technologie der nächsten Generation bilden.
Die effiziente und effektive Manipulation des MRAM stellt jedoch eine
Herausforderung dar. Einem interdisziplinären Forschungsteam der
National Tsing Hua University (NTHU) in Taiwan unter der Leitung von
Prof. Chih-Huang Lai und Prof. Hsiu-Hau Lin gelang kürzlich ein
revolutionärer Durchbruch. Mithilfe einer nur wenige Nanometer dicken
Platinschicht wird Spinstrom erzeugt, um die gepinnten
magnetischen Momente nach Belieben zu schalten – diese Aufgabe wurde
bislang noch nie gelöst.
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Professor Lai Chih-huang (left) and Lin Hsiu-hau of NTHU using hand gestures to represent the 0-1 concept in digital memory. (Photo: National Tsing Hua University)
Angefangen bei Mobiltelefonen über Computer, tragbare Geräte, das
Internet der Dinge bis hin zu intelligenten Stadtbetrieben ist die
Verarbeitung und Speicherung von Daten äußerst wichtig. In Bezug auf ein
schnelleres Lesen und Schreiben, einen geringeren Stromverbrauch und den
Erhalt von Daten bei einem Stromausfall hebt sich der MRAM in einem
starken Konkurrenzumfeld ab. Der jüngst inNature Materials
veröffentlichte Durchbruch von Lai und Lin beflügelt die
MRAM-Technologie und findet in Industrie und Wissenschaft Beachtung.
Steuerung von Spinströmen im MRAM
Derzeit erfolgt die Informationsverarbeitung in digitalen Geräten in
erster Linie auf Grundlage des Dynamic Random Access Memory (DRAM), ist
jedoch mit einem erheblichen Stromverbrauch sowie großen Hindernissen
verbunden, wenn die Größe verringert wird.
Der DRAM nutzt die Ladung von Elektronen. „Elektronen haben jedoch
sowohl Ladung als auch Spin“, sagte Lai. „Warum kann man den MRAM nicht
mit Elektronenspins manipulieren?“ Zur Umsetzung der Idee bildeten Lai
und Lin ein interdisziplinäres Forschungsteam mit den Doktoranden Bohong
Lin und Boyuan Yang.
Die Struktur des MRAM ähnelt einem Sandwich, so Lin. Die obere Schicht
besteht aus einem frei beweglichen Magneten für die Datenberechnung und
die untere Schicht aus einem festen Magneten für die Datenspeicherung –
diese beiden Schichten sind durch eine Oxidschicht getrennt.
Die Herausforderung besteht darin, diese unterschiedlichen Schichten
elektrisch zu schalten. Nach vielen Experimenten entdeckten sie den
entscheidenden Faktor: eine Nanometer dicke Platinschicht. Aufgrund von
Interaktionen zwischen Spin und Bahn treibt der elektrische Strom zuerst
die kollektive Bewegung von Elektronenspins an. Der Spinstrom schaltet
anschließend effektiv und präzise das gepinnte magnetische Moment.
Glühend heiße Spintronic
In den letzten Jahren förderte die NTHU die interdisziplinäre
Zusammenarbeit wie die MRAM-Forschung des Physikers Lin und des
Werkstoffexperten Lai, die inzwischen nahtlos zusammenarbeiten.
Wichtige internationale Unternehmen wie Samsung, Intel und TSMC
beteiligen sich am Wettbewerb der MRAM-Entwicklung. Möglicherweise
beginnt die Massenproduktion des hochdichten Speichers MRAM noch in
diesem Jahr, eine Entwicklung, bei der das Forschungsteam unter der
Leitung von Lai und Lin eine Schlüsselrolle gespielt hat.
Das Forschungsteam überträgt derzeit seine bahnbrechende Entdeckung auf
andere Strukturen und die laufenden Ergebnisse könnten Erwartungen
zufolge einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Speicherindustrie
haben. Nach Ansicht von Lai wird die Entwicklung der MRAM-Technologie
künftig die Wettbewerbsfähigkeit der taiwanesischen Halbleiterbranche
erheblich beeinflussen.
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