Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwerfälliger Stromfluss könnte Weg zu energiesparenden Computern weisen

27.01.2016

Computer und andere elektronische Geräte haben heute einen beträchtlichen Anteil am weltweiten Energieverbrauch. Mit den heute genutzten Technologien lässt sich dieser Verbrauch aber kaum senken, sodass die Chips in den energiesparenden Geräten der Zukunft aus neuartigen Materialien bestehen werden. Neueste Forschungsergebnisse aus dem Paul Scherrer Institut PSI geben Hinweise darauf, wie man zu solchen Materialien kommen könnte.

Dafür haben Forschende ein Material untersucht, das an sich bereits die nötigen Merkmale hat: Es ist magnetisch und kann elektrischen Strom ganz ohne Widerstand leiten. Der Nachteil: Es hat diese Eigenschaften nur bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen man keine Computer betreiben könnte.


Prinzip des Experiments, bei dem der Stromfluss tief im Inneren eines Materials untersucht wurde.

Grafik: Claudia Cancellieri


Die Forschenden Claudia Cancellieri und Vladimir Strocov am Messplatz ADRESS der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Bei realistischen Temperaturen dagegen fliesst der Strom in dem Material ausgesprochen schwerfällig. Mit Hilfe von Experimenten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts konnten die Forschenden die Ursachen für den erschwerten Stromfluss bestimmen.

Diese Ergebnisse dürften nun helfen, gezielt neue Materialien zu entwickeln, die auch bei höheren Temperaturen die besonderen Eigenschaften behielten und so in zukünftigen Computern zum Einsatz kommen könnten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden im Fachjournal Nature Communications.

Den Energieverbrauch elektronischer Geräte zu reduzieren ist eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung der Elektronik der Zukunft. So verbrauchen zum Beispiel die riesigen Rechenzentren, die hinter Internet-Suchmaschinen oder sozialen Medien stehen, so viel Energie wie eine Grossstadt.

Energiesparende Computer setzen aber eine fundamentale Wende voraus: neuartige Materialien werden die Halbleiter ersetzen müssen, die in den vergangenen Jahrzenten die Grundlage aller elektronischen Geräte bilden – vom frühen Transistorradio bis zum Smartphone.

„Zu den besonders vielversprechenden Kandidaten gehören die Oxide – komplexe Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff“, erklärt Vladimir Strocov, leitender Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut PSI. „So könnten elektronische Bauelemente aus bestimmten Oxiden die Funktion der heutigen Transistoren übernehmen und würden dabei nur einen kleinen Bruchteil der Energie verbrauchen.“ Transistoren sind auf heutigen Mikrochips milliardenfach vertreten und verantworten einen grossen Teil des Energieverbrauchs der Chips.

Materialverzerrung sorgt für trägen – oder ungehinderten – Stromfluss

Strocovs Forschungsteam hat nun gemeinsam mit Kollegen der ETH Zürich und des japanischen Forschungsinstituts RIKEN ein Material untersucht, das eigentlich die nötigen Eigenschaften für den Einsatz in diesen Bauteilen mitbringt: Es ist magnetisch und supraleitend, kann also elektrischen Strom ganz ohne Widerstand leiten.

Der Nachteil: Es hat diese Eigenschaften nur bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen sich kein Computer betreiben lässt. Erhöht man die Temperatur, wird der Stromfluss in dem Material hingegen ausgesprochen schwerfällig. Wie sie in einer Studie im Fachjournal Nature Communications berichten, konnten die Forschenden nun die Ursachen für den erschwerten Stromfluss bestimmen.

„Für diesen ist offenbar dasselbe Phänomen verantwortlich, das bei tiefen Temperaturen den Strom ungehindert fliessen lässt“, erklärt Strocov. „Unsere Ergebnisse könnten daher helfen, gezielt neue Materialien zu entwickeln, die auch noch bei höheren Temperaturen für die neuartigen Bauteile geeignet wären und so in zukünftigen Computern zum Einsatz kommen könnten.“

Wenn durch ein Material ein elektrischer Strom fliesst, bedeutet das, dass sich Elektronen durch dieses Material bewegen. Das Gerüst solcher Materialien bilden regelmässig angeordnete, wenig bewegliche Ionen. „Die Elektronen, die im Material fliessen, ziehen die Ionen zu sich und verzerren so das Gerüst“, erklärt Claudia Cancellieri, die als PSI-Wissenschaftlerin an der Studie beteiligt war, jedoch mittlerweile an der EMPA tätig ist.

„Diese Ionen ziehen dann wiederum die Elektronen an und bremsen sie auf diese Weise aus.“ Offenbar lässt die gleiche Verzerrung das Material aber bei tiefen Temperaturen supraleitend werden. „In einem Supraleiter finden Elektronen zu Paaren zusammen und können sich dann gemeinsam ungehindert durch das Material bewegen. Bei tiefen Temperaturen sorgt die Verzerrung des Materialgerüsts dafür, dass sich die Elektronen paarweise verbinden“, so Cancellieri.

Mit diesem Wissen könnten Forschende ähnliche Materialien gezielt so verändern, dass sie auch bei höheren Temperaturen supraleitend bleiben. Ein Ansatz ist dabei, mithilfe spezieller nanotechnolgischer Verfahren einzelne Sauerstoffatome in dem Material durch Atome eines anderen Elements zu ersetzen, die zusätzliche Elektronen mitbringen.

Strom tief im Material beobachtet

Das Material, das die Forschenden in ihren Experimenten untersucht haben, ist nicht ein einzelnes Oxid, sondern die Kombination von den zwei Oxiden mit den chemischen Formeln LaAlO3 und SrTiO3. Dabei leiten die beiden Oxide einzeln keinen Strom, fügt man sie aber zusammen, kann entlang der Grenzfläche Strom fliessen.

Allgemein kann die Verbindung von zwei Oxiden neuartige Eigenschaften haben, die in zukünftigen Geräten nützlich sein könnten. Den Stromfluss an der Grenzfläche zwischen den Materialien haben die Forschenden mit hochenergetischem Synchrotronlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts gemessen. Der hiesige Messplatz „ADRESS“ ist weltweit führend, wenn es um solche heraufordernden Experimente geht.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio.


Kontakt/Ansprechpartner:

Dr. Vladimir Strocov, Forschungsgruppe Spektroskopie neuartiger Materialien,
Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 53 11, E-Mail: vladimir.strocov@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Polaronic metal state at the LaAlO3/SrTiO3 interface
C. Cancellieri, A.S. Mishchenko, U. Aschauer, A. Filippetti, C. Faber, O.S. Barišić,
V.A. Rogalev, T. Schmitt, N. Nagaosa and V.N. Strocov
Nature Communications, 27. Januar 2016
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS10386

Weitere Informationen:

http://psi.ch/ZZhK Medienmitteilung auf der Seite des PSI mit ausführlicher Bildlegende

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft
27.04.2017 | Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbH

nachricht Ergonomie am Arbeitsplatz: Kamera erkennt ungesunde Bewegungen
24.04.2017 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

Wireless power can drive tiny electronic devices in the GI tract

28.04.2017 | Medical Engineering

Ice cave in Transylvania yields window into region's past

28.04.2017 | Earth Sciences

Nose2Brain – Better Therapy for Multiple Sclerosis

28.04.2017 | Life Sciences