Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Spinwellen zu ultraschnellen Schaltkreisen

08.04.2014

Neue Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf forscht an innovativen Konzepten für die Informationstechnik

Computerchips werden immer kleiner und sie rechnen immer schneller. Doch die gängigen Konzepte, auf denen elektronische Bauelemente beruhen, werden schon bald an ihre Grenzen stoßen. Dann sind Dimensionen und Taktfrequenzen ausgereizt. Deshalb gewinnen alternative Ansätze zur Informationsverarbeitung an Bedeutung. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht Dr. Helmut Schultheiß an Spinwellen, die als Grundlage für völlig neuartige Bauelemente gelten.


Zeitaufgelöstes Kerr-Mikroskop mit Spinwellen-Schalter

HZDR

Damit lassen sich – so die Erwartungen – Daten noch schneller verarbeiten bei gleichzeitig weniger Stromverbrauch und geringerer Abwärme. Aus dem Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) erhält der Physiker nun rund 1,5 Millionen Euro Fördermittel, um in den kommenden fünf Jahren eine eigene Nachwuchsgruppe aufzubauen und seine Forschung auf diesem Gebiet zu intensivieren.

„Die Aufnahme in das Emmy Noether-Programm ist eine großartige Auszeichnung“, freut sich Helmut Schultheiß. „Nun kann ich meine Forschung mit einer kleinen Arbeitsgruppe ausbauen.“ Bereits in seiner Doktorarbeit und als Postdoc hat er auf dem Gebiet der Spinwellen geforscht. Magnonen – so heißen die Wellen in der Fachsprache – sollen Mikroprozessoren zu mehr Leistung verhelfen.

Heutige Chips arbeiten mit Elektronen, die durch Leiterbahnen und Bauelemente fließen. Bei den Magnonen muss hingegen kein Ladungsträger mehr bewegt werden. Helmut Schultheiß beschreibt das zugrundeliegende Phänomen: „Jedes Elektron hat ein magnetisches Moment, den sogenannten Spin. In einem ferromagnetischen Material kann man diese Spins so anregen, dass sie eine Welle bilden.“

Und mithilfe solcher Wellen kann man Informationen ebenso weitergeben wie mit fließenden Ladungsträgern. „Die Magnonik erlaubt eine besonders schnelle Signalverarbeitung auf sehr kleiner Längenskala“, betont Schultheiß, „Spinwellen haben Frequenzen bis in den Terahertzbereich.“

In klassischen ferromagnetischen Legierungen wie zum Beispiel Permalloy, aber auch in neuartigen Materialsystemen wollen die Forscher zu Untersuchungszwecken Spinwellen anregen und verfolgen, wie die Magnonen sich ausbreiten und miteinander wechselwirken. Denn wenn sich die Spinwellen überlagern, kommt es zum Auslöschen oder zur Verstärkung, wodurch Logikbausteine wie zum Beispiel Schalter entstehen. Um die Proben zu präparieren, stehen am HZDR das Ionenstrahlzentrum, mit dessen Anlagen man zielgerichtet Ionen in das Material einbringen kann, zur Verfügung sowie Reinräume mit Verfahren der Elektronenstrahllithografie.

Spinwellen lassen sich mit verschiedenen Verfahren erzeugen. Helmut Schultheiß will mit seiner Nachwuchsgruppe gleich drei davon erproben. „Zum einen wollen wir Mikrowellen nutzen“, sagt der Physiker. Diese Mikrowellenfelder können an die Eigenfrequenzen der Spins im Material ankoppeln und so eine Spinwelle hervorrufen. Ein zweiter Ansatz besteht in der Nutzung von konventionellen Ladungsströmen. Fließende Elektronen können über den Spin-Hall-Effekt einen sogenannten Spin-Strom erzeugen, der wiederum Spinwellen anregen kann.

„Dieser Spin-transfer-torque-Effekt wurde erst in den 1990er Jahren entdeckt“, unterstreicht Schultheiß die Aktualität seiner Forschungen auf dem Gebiet. In weiteren Versuchen wollen die HZDR-Wissenschaftler untersuchen, ob sich Spinwellen mit Licht anregen lassen – und in Umkehrung dazu, wie man mithilfe von Magnonen Licht manipulieren kann. „Das wäre eine neue Technologie als Brücke zwischen Photonik und Elektronik“, sagt Schultheiß.

Ferromagnete und ihre Eigenschaften sind ein hochaktuelles Forschungsgebiet. Dünne Schichten dieser Materialien haben in jüngster Zeit bei der Datenspeicherung und -verarbeitung breite Anwendung gefunden. So basiert heute die Funktionsweise des Schreib-Lese-Kopfes einer jeden Festplatte auf dem TMR-Effekt, dem Tunnelmagnetowiderstand, der in bestimmten magnetischen Schichtstrukturen auftritt. Der Effekt ist die Weiterentwicklung des Riesenmagnetowiderstandes, der 1988 von Albert Fert und Peter Grünberg entdeckt wurde, wofür die beiden 2007 den Physik-Nobelpreis erhielten.

Mit dem Emmy Noether-Programm möchte die Deutsche Forschungsgemeinschaft Nachwuchswissenschaftlern einen Weg zur frühen wissenschaftlichen Selbständigkeit eröffnen, damit diese sich für eine Professur qualifizieren können. Helmut Schultheiß kam Mitte 2013 nach einem Postdoc-Aufenthalt am Argonne National Laboratory, einer amerikanischen Forschungseinrichtung in der Nähe von Chicago, an das HZDR. Seine Arbeitsgruppe wird drei Doktoranden umfassen sowie eine Postdoc-Stelle. Aus dem Programm fließen auch Gelder in die Laborausstattung, wo die Physiker derzeit spektroskopische Geräte aufbauen, mit denen sie die Dynamik der Spinwellen untersuchen können.

Weitere Informationen:

Dr. Helmut Schultheiß
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 260 – 3243 | E-Mail: h.schultheiss@hzdr.de

Medienkontakt:

Dr. Christine Bohnet | Pressesprecherin
Tel. +49 351 260 – 2450 oder +49 160 969 288 56 | c.bohnet@hzdr.de |
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon ca. 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Volle Konzentration am Steuer
25.11.2016 | Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund

nachricht Warum Reibung von der Zahl der Schichten abhängt
24.11.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie