Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschnelle Spinstrompulse unter Kontrolle gebracht

08.04.2013
Auf dem Weg zur Terahertz-Datenverarbeitung

Ein internationales Forscherteam hat eine Möglichkeit gefunden, extrem kurze und schnelle Pulse aus Spinströmen kontrolliert zu erzeugen. Mithilfe solcher Pulse im Terahertz-Frequenzbereich könnten die Computer von übermorgen Daten schneller und energieeffizienter verarbeiten als heutige Rechner. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ nachzulesen (DOI: 10.1038/NNANO.2013.43).


Skizze: Laserpulse führen einem magnetischen Eisenfilm (grün) Energie zu. Dies erzeugt Spinstrompulse in der zweiten, nichtmagnetischen Schicht des Systems (blau), weil Elektronenspins in Abhängigkeit von ihrer Orientierung (orange Pfeile: „Up“, blaue Pfeile: „Down“) unterschiedlich häufig in diese Schicht übertreten. Forschungszentrum Jülich

Unsere Anforderung an die Rechengeschwindigkeit von Computern steigt stetig, ebenso der weltweite Energieverbrauch durch die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien. Einen vielversprechenden Ansatz, langfristig schnellere und energieeffizientere Rechner zu verwirklichen, könnte die Spintronik bieten. Sie sieht elektronische Bauteile vor, bei denen die Eigenrotation (der „Spin“) von Elektronen zusätzlich zu ihrer Ladung zur Informationsverarbeitung genutzt wird.

Dabei ist es erforderlich, Spininformation in kürzester Zeit innerhalb einer Recheneinheit transportieren zu können. Dies geschieht in kleinen Paketen, Pulsen von Strömen mit nur einer Spinsorte. Dazu ist es unter anderem nötig, diese Spinströme mit einer exakt kontrollierten Frequenz und Geschwindigkeit zu erzeugen.

Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich, dem Fritz-Haber-Institut Berlin, der Universität Uppsala, der Georg-August-Universität Göttingen sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist dies durch die gezielte Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Metallen gelungen. Die von ihnen erzeugten Spinstrompulse erreichten extrem schnelle Terahertz-Frequenzen (1 THz = 1012 Hz = 1012 Vorgänge pro Sekunde).

Das internationale Wissenschaftlerteam belichtete ein nur wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus Metallen mit 20 Femtosekunden kurzen Laserpulsen – das entspricht einer 20 Billiardstel Sekunde. Die Lichtblitze führen den Elektronen in einer Eisenschicht Energie zu, wodurch ein Teil der Spins kurzzeitig in die Nachbarschicht aus Gold oder Ruthenium wechselt – ein Spinstrompuls entsteht.

„Die Wahl ist auf Gold und Ruthenium gefallen, weil sich Elektronen in diesen beiden Materialien unterschiedlich gut bewegen können und wir deshalb unterschiedliche Spinstrompulse erwartet haben“, erläutert Dr. Frank Freimuth, Mitglied der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“ am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation. Der theoretische Physiker hat gemeinsam mit seinen Kollegen aus Jülich und Uppsala dazu beigetragen, die experimentellen Messergebnisse quantitativ verständlich zu machen.

Die Messungen basieren darauf, dass sich die Spinstrompulse mithilfe eines komplexen physikalischen Phänomens, des inversen Spin-Hall-Effekts, in herkömmliche elektrische Strompulse umwandeln lassen, die gemessen werden können. Um daraus die Spinstrompulse zu errechnen, nutzten die Forscher unter anderem ein in Jülich entwickeltes Computerprogramm. Die Daten zeigten wie erwartet kürzere Terahertz-Pulse in der Goldschicht, in der die Elektronen eine höhere Beweglichkeit als im Ruthenium haben.

„Unsere Ergebnisse zeigen einen gangbaren Weg auf, um ultraschnelle Bauteile mittels Spintronik zu entwickeln“, freut sich Prof. Yuriy Mokrousov, Leiter der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“. Die Gruppe plant nun, die Materialauswahl weiter zu verfeinern, um aus den Spinstrompulsen noch stärkere Terahertz-Signale zu erzeugen. Außerdem planen die Forscher, die Physik der Spinströme bei ultrahohen Frequenzen weiter zu erforschen mit dem Ziel, den Verlauf der Terahertz-Signale besser einstellen zu können.

Originalveröffentlichung:
Terahertz spin current pulses controlled by magnetic heterostructures;
T. Kampfrath, M. Battiato, P. Maldonado, G. Eilers, J. Nötzold, S. Mährlein, V. Zbarsky, F. Freimuth, Y. Mokrousov, S. Blügel, M.Wolf, I. Radu, P. M. Oppeneer and M. Münzenberg;
Nature Nanotechnology, published online: 31 March 2013; DOI: 10.1038/NNANO.2013.43
Abstract: http://www.nature.com/nnano/journal/v8/n4/abs/nnano.2013.43.html

Weitere Informationen:
Zur Pressemitteilung:
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2013/13-04-08NNano_Spinstroeme.html

Institutsbereich „Quanten-Theorie der Materialien“ (PGI-1/IAS-1): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-1/DE/Home/

Universität Uppsala, Department of Physics and Astronomy: http://katalog.uu.se/orgInfo/?orgId=X208

Pressemitteilung der Universität Göttingen „Neue Methode zur Speicherung ultrakurzer Strompulse entwickelt“ vom 1. April 2013:

http://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?cid=4432

Fritz-Haber-Institut Berlin:
http://www.fhi-berlin.mpg.de/pc/KAMPFRATH/welcome.html
Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin vom 1. April 2013 „Ultraschnelle Spin-Manipulation bei Terahertz-Frequenzen“: http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/grossgeraete/mi-synchrotron-radiation

Ansprechpartner:
Prof. Yuriy Mokrousov, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-4434
y.mokrousov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Das Forschungszentrum Jülich...
...betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung und stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart, vor allem zur künftigen Energieversorgung. Mit seinen Kompetenzen in der Materialforschung und der Simulation und seiner Expertise in der Physik, der Nano- und Informationstechnologie sowie den Biowissenschaften und der Hirnforschung entwickelt es die Grundlagen für zukünftige Schlüsseltechnologien. Das Forschungszentrum leistet Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Energie und Umwelt, Gesundheit sowie Informationstechnologie. Mit fast 5000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört es als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft zu den großen interdisziplinären Forschungszentren Europas.

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Maschinelles Lernen: Neue Methode ermöglicht genaue Extrapolation
13.07.2018 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Gegen das Verblassen historischer Dokumente
11.07.2018 | Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

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

Europaweit erste Patientin mit neuem Hybridgerät zur Strahlentherapie behandelt

19.07.2018 | Medizintechnik

Waldrand oder mittendrin: Das Erbgut von Mausmakis unterscheidet sich je nach Lebensraum

19.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

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