Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Energiesparender Spin-Strom über magnetisches Feld und Temperatur steuerbar

17.08.2018

SCMR-Effekt vereinfacht Design grundlegender spintronischer Komponenten

Der Schritt von der Glühbirne hin zur LED hat den Stromverbrauch durch Beleuchtung drastisch nach unten geschraubt. Schließlich verpuffte bei der Glühlampe ein Großteil des Stroms als Wärme. Ein ähnlicher Schritt könnte künftig bei elektronischen Komponenten in Computern anstehen. Bislang werden diese mit elektrischem Strom betrieben, wobei unerwünschte Wärme entsteht.


Würde man stattdessen Spin-Strom nutzen, könnte man Computer und Co. deutlich energiesparender betreiben. Dr. Olena Gomonay von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und ihr Team haben nun gemeinsam mit Prof. Eiji Saitoh vom Advanced Institute for Materials Research (AIMR) der Tohoku University in Japan und seiner Arbeitsgruppe einen Effekt entdeckt, der einen solchen Wechsel auf Spin-Strom ermöglichen könnte. Dieser Effekt vereinfacht das Design von grundlegenden spintronischen Komponenten deutlich.

Fasst man an einen Computer, der bereits einige Zeit läuft, so spürt man sie: Wärme. Diese entsteht als – unerwünschter – Nebeneffekt durch den elektrischen Strom. Unerwünscht daher, weil die Erzeugung der Wärme natürlich ebenfalls Energie verbraucht.

Man kennt diesen Effekt noch von der Glühbirne: Sie wurde im Laufe von Stunden so heiß, dass man sich daran die Finger verbrennen konnte. Denn die Glühbirne wandelte nur einen Bruchteil der benötigten Energie in das erwünschte Licht um. Anders ist es bei LEDs, bei denen nahezu die gesamte Energie ins Leuchten geht, weshalb sie auch nicht heiß werden. LEDs sind somit deutlich energiesparender als die althergebrachte Glühlampe.

Würde man beim Computer statt des elektrischen Stroms, der auf geladenen Teilchen beruht, einen Strom von Teilchen nutzen, die einen Spin ungleich null haben, kann man das Material auf die gleiche Weise manipulieren und damit die Rechenleistung erzeugen. Der große Unterschied: Es entsteht keine Wärme, die Prozesse wären deutlich energiesparender.

Dr. Olena Gomonay von der JGU hat nun gemeinsam mit Prof. Eiji Saitoh von der Tohoku University die Basis dafür gelegt, solche Spin-Ströme einsetzen zu können. Genauer gesagt: Sie haben die Idee der Spin-Ströme genutzt und auf ein bestimmtes Material angewendet. Gomonay vergleicht die Spin-Ströme dabei mit der Arbeitsweise unseres Gehirns: „Im menschlichen Gehirn verarbeiten wir unzählige Informationen – erhitzen tut es sich dabei nicht. Die Natur ist uns also weit voraus.“ Diesem Vorbild eifert das Mainzer Team nach.

Drastische Änderung des Stromflusses

Wie gut Spin-Ströme fließen, hängt vom Material ab – ebenso wie beim elektrischen Strom. Während Spin-Ströme in ferromagnetischen Materialien jederzeit fließen können, wechseln sich in antiferromagnetischen Materialien Zustände mit niedrigem Widerstand mit solchen mit hohem Widerstand ab. „Wir haben nun eine Möglichkeit gefunden, die Spin-Ströme über ein magnetisches Feld und die Temperatur zu steuern – also den Widerstand eines antiferromagnetischen Systems hinsichtlich des Spins zu kontrollieren“, fasst Dr. Olena Gomonay ihre Ergebnisse zusammen.

Bei einer Temperatur, die nah an der Phasenumwandlungstemperatur liegt, applizierten Gomonay und ihr Team ein kleines magnetisches Feld auf das Material. Während das angelegte Magnetfeld die Orientierung der Spins so ändert, dass sie leicht durch das Material transportiert werden können, hat die Temperatur gleich zwei Effekte. Zum einen bewirkt eine höhere Temperatur, dass sich mehr Teilchen des Materials in angeregten Zuständen befinden, es gibt also mehr Spin-Träger, die transportiert werden können – der Spin-Transport wird einfacher. Zum anderen sorgt die hohe Temperatur dafür, dass man mit einem geringen Magnetfeld auskommt.

Das Ergebnis: Der Widerstand – und damit der Stromfluss – ändert sich drastisch, um mehrere Größenordnungen. „Dieser Effekt, den wir 'spin colossal magnetoresistance' oder kurz SCMR nennen, hat das Potenzial, das Design von grundlegenden spintronischen Komponenten deutlich zu vereinfachen“, so die Mainzer Wissenschaftlerin. Interessant ist das unter anderem für Speichermaterialien, also beispielsweise für Festplatten. Mithilfe dieses Effekts lassen sich beispielsweise Spin-Strom-Schalter realisieren ebenso wie Spin-Strom basierte Speichermedien.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Olena Gomonay
INSPIRE – Interdisciplinary Spintronics Research
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: +49 6131 39-23643
E-Mail: ogomonay@uni-mainz.de
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/team/olena-gomonay/

Elena Hilp
INSPIRE – Interdisciplinary Spintronics Research
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: +49 6131 39-21259
E-Mail: spice@uni-mainz.de
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/

Originalpublikation:

Z. Qiu et al., Spin colossal magnetoresistance in an antiferromagnetic insulator, Nature Materials 17, 577-580, 28. Mai 2018,
DOI:10.1038/s41563-018-0087-4
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0087-4

Weitere Informationen:

https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/ – Interdisciplinary Spintronics Research Group (INSPIRE) an der JGU ;
https://www.spice.uni-mainz.de/ – Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE) an der JGU;
https://www.iph.uni-mainz.de/ – Institut für Physik an der JGU

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Ungesundes Sitzen vermeiden: Stuhl erkennt Sitzposition und motiviert zur Änderung der Körperhaltung
10.12.2018 | Technische Hochschule Köln

nachricht Ganz ohne Zauberstab: Bayreuther Forscher steuern mit Schallwellen schwebende Objekte
04.12.2018 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Im Focus: Neuartige Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Von „Frequenzkämmen“ spricht man bei speziellem Laserlicht, das sich optimal für chemische Sensoren eignet. Eine revolutionäre Technik der TU Wien erzeugt dieses Licht nun viel einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht...

Im Focus: Topological material switched off and on for the first time

Key advance for future topological transistors

Over the last decade, there has been much excitement about the discovery, recognised by the Nobel Prize in Physics only two years ago, that there are two types...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Januar und Februar 2019

11.12.2018 | Veranstaltungen

Eine Norm für die Reinheitsbestimmung aller Medizinprodukte

10.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Biofilme generieren ihre Nährstoffversorgung selbst

12.12.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Tanz mit dem Feind

12.12.2018 | Physik Astronomie

Künstliches Perlmutt nach Mass

12.12.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics