Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dresdner Forscher entwickeln Verfahren zur Kontrolle neuartiger Informationsträger

02.02.2016

Die Erfolgsgeschichte der Informationsverarbeitung mit bewegten Elektronen nähert sich dem Ende. Der Drang zu immer kompakteren Chips stellt die Hersteller vor eine große Herausforderung, da die Verkleinerung zum Teil unlösbare physikalische Probleme bereitet. Die Zukunft könnte in magnetischen Spinwellen liegen, die schneller als elektronische Ladungsträger sind und weniger Strom verbrauchen. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden konnten nun eine Methode entwickeln, um die Ausbreitung dieser Informationsträger auf der Nanoebene gezielt und einfach zu kontrollieren. Sie legten damit eine Grundlage für Nano-Schaltkreise, die auf Spinwellen aufbauen.

„Unsere heutige Informationsverarbeitung basiert auf Elektronen“, erklärt Dr. Helmut Schultheiß vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung.


In der Domänenwand, die sich zwischen den unterschiedlich ausgerichteten Magnetisierungen bildet, bleibt die Spinwelle gefangen. HZDR-Forscher konnten so ihren Ausbreitungsweg gezielt kontrollieren.

HZDR / H. Schultheiß

„Diese geladenen Teilchen fließen durch die Drähte und erzeugen auf diese Weise elektrische Ströme. Allerdings stoßen sie dabei mit Atomen zusammen und verlieren so Energie, die als Wärme an das Kristallgitter abgegeben wird. Das heißt, dass Chips umso wärmer werden, je enger die Elemente auf ihnen beieinander sitzen. Irgendwann ist dann der Punkt erreicht, bei dem sie einfach versagen, da die Wärme nicht mehr abgeführt werden kann.“ Der Leiter einer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe verfolgt deshalb einen anderen Ansatz: Informationstransport über Spinwellen oder sogenannte Magnonen.

Das magnetische Moment der Elektronen

Mit dem Begriff Spin bezeichnen die Wissenschaftler den Drehimpuls der Elektronen um die eigene Achse. Dadurch verhalten sich die elektrischen Teilchen wie extrem kleine Magnete. In ferromagnetischen Materialien richten sie sich parallel aus. „Lenkt man nun einen Spin in eine andere Richtung, beeinflusst das auch die Nachbarspins“, erläutert Schultheiß.

„So entsteht eine Spinwelle, die sich durch den Festkörper fortpflanzt. Mit ihrer Hilfe lassen sich, genauso wie bei fließenden Ladungsträgern, Informationen transportieren und verarbeiten.“ Allerdings bewegen sich in diesem Fall die Elektronen selbst nicht. „Sie stoßen nirgends an und erzeugen somit kaum Wärme.“

Um sich im Wettrennen um die zukünftige Informationsverarbeitung durchzusetzen, werden aber Systeme benötigt, mit denen sich die Ausbreitung der Spinwellen auf der Nanoebene kontrollieren lässt. „Die bisherigen Ansätze beruhen entweder auf geometrisch vorgegebenen Leiterbahnen oder auf dem permanenten Einsatz externer Magnetfelder“, beschreibt Schultheiß den Stand der Forschung. „Bei der ersten Lösung lässt sich der Ausbreitungsweg nicht verändern, was für die Entwicklung von flexiblen Schaltkreisen jedoch nötig wäre. Mit der zweiten Methode ließe sich das Problem zwar lösen. Dafür steigt aber der Energieverbrauch enorm an.“

Kontrollierter Ausbreitungsweg

Den Wissenschaftlern gelang es nun, ein neues Verfahren zur gezielten Lenkung von Spinwellen zu entwickeln, indem sie grundlegende magnetische Eigenschaften ausnutzten: die Remanenz – also die Magnetisierung, die ein Festkörper nach dem Entfernen eines Magnetfelds beibehält – und die Entstehung sogenannter Domänenwände. „Mit dem Begriff bezeichnet man den Bereich in Festkörpern, an dem unterschiedlich ausgerichtete Magnetisierungen aufeinandertreffen“, erklärt Schultheiß.

In einem Experiment stellten die Forscher eine solche Domänenwand in einer Nanostruktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung her. Mit Mikrowellen lösten sie anschließend eine Spinwelle aus. Wie ihre Untersuchungen gezeigt haben, blieben die Spinwellen einer bestimmten Frequenz in der Domänenwand gefangen, da die unterschiedlich orientierten magnetischen Bereiche als Einsperrung dienen. „Im übertragenen Sinn könnte man sagen, dass wir eine Straße mit Leitplanke konstruiert haben, auf der sich die Spinwellen kontrolliert ausbreiten“, freut sich Schultheiß über das Ergebnis.

Die Dresdner Physiker konnten aber sogar noch einen weiteren Erfolg feiern. Über kleine externe Magnetfelder weit unterhalb eines Millitesla – etwa hundertmal schwächer als ein handelsüblicher Hufeisenmagnet – manipulierten sie den Verlauf der Domänenwand. Und damit gleichzeitig die Ausbreitung der Spinwellen.

„Darauf könnte das Design rekonfigurierbarer Nano-Schaltkreise aufgebaut werden, die über Magnonen funktionieren“, schätzt Schultheiß ein. Trotzdem wird es, nach Ansicht des Forschers, bis zur Anwendung aber wohl noch einige Jahre dauern. „Wir sind immer noch im Stadium der Grundlagenforschung. Unsere Ergebnisse zeigen allerdings, dass wir uns auf einem guten Weg befinden.“

Publikation:
K. Wagner, A. Kákay, K. Schultheiss, A. Henschke, T. Sebastian, H. Schultheiss, „Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nanochannels“, Nature Nanotechnology, 2016 (DOI: 10.1038/nnano.2015.339)

Weitere Informationen:
Dr. Helmut Schultheiß
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 458-3243
E-Mail: h.schultheiss@hzdr.de

Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel. +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden | www.hzdr.de

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?
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 etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Mitarbeiter der Hochschule Ulm entwickeln neue Methode zur Desinfektion von Kontaktlinsen
17.07.2017 | Hochschule Ulm

nachricht Form aus dem Vakuum: Tiefziehen von Dünnglas eröffnet neue Anwendungsfelder
07.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

CCNY physicists master unexplored electron property

26.07.2017 | Physics and Astronomy

Molecular microscopy illuminates molecular motor motion

26.07.2017 | Life Sciences

Large-Mouthed Fish Was Top Predator After Mass Extinction

26.07.2017 | Earth Sciences