Physiker entwickeln neues Speicherbauelement

Sie ist als „Bill-Gates-Gedenkminute“ bekannt: Die Zeit, die ein Rechner braucht, bis er sein Betriebssystem und die benötigten Programme geladen hat. Notwendig ist die Pause, weil in dem Computer zwei getrennte Systeme arbeiten: Eines, in dem auf elektrischem Wege die Rechenaktionen ablaufen, und eines, in dem auf magnetischer Basis die Informationen gespeichert werden. Während des Hochfahrens „schaufelt“ der Rechner die benötigten Daten von dem einen ins andere System. Das allerdings könnte sich bald ändern:

Im Rahmen der Doktorarbeit von Katrin Pappert ist es am Physikalischen Institut der Uni Würzburg gelungen einen Speicher zu entwickeln, der die Vorteile beider Systeme in sich vereint: Auf die Informationen ist zum einen der direkte und extrem schnelle elektronische Zugriff möglich, zum anderen gehen die Daten beim Abschalten nicht verloren. „Solche Speicher würden das Hochfahren des Computers nach dem Einschalten unnötig machen“, sagt Pappert. Man könnte sofort dort weiterarbeiten, wo man am Vortag aufgehört hat. Die Doktorandin forscht am Lehrstuhl für Experimentelle Physik III bei Professor Laurens Molenkamp; das neue Speicherbauelement wurde dort im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Nanospin entwickelt.

„Wir arbeiten mit so genannten ferromagnetischen Halbleitern“, erklärt Pappert die Entwicklung. Dieses Material ist in der Lage, so wie die üblichen Metalle in einer Festplatte, Informationen durch ihre Magnetisierungsrichtung zu speichern; gleichzeitig lässt es sich aber auch – anders als die momentan benutzen ferromagnetischen Metalle – direkt in Computerchips integrieren. Für die Chiphersteller hätte dies den Vorteil, dass die Chips ihre Information in der Magnetisierung speichern könnten und sie nicht wie üblich beim Abschalten des Stroms vergessen.

Pappert arbeitet mit Gallium-Mangan-Arsenid, einem Material, bei dem man „sehr gut steuern kann, wie stark magnetisch und wie sehr es leitend ist“, sagt sie. Das allein reicht allerdings noch nicht aus, um den Halbleiter im Chip nutzen zu können. Erst wenn die Physikerin unvorstellbar kleine Streifen davon zum Einsatz bringt, zeigt er die gewünschten Eigenschaften. „Wir konnten nachweisen, dass man extrem schmalen Streifen eine Vorzugsrichtung für die Magnetisierung aufprägen kann“, so Pappert. Wobei „extrem schmal“ etwa 100 millionstel Millimeter bedeutet. Ordnen die Physiker zwei solcher Streifen im rechten Winkel zueinander an, können sie vier unterschiedlich ausgerichtete Magnetisierungen in ihnen erzeugen, mit denen zwei unterschiedliche Widerstände einhergehen; über extrem feine Zuleitungen aus Gold sind sie außerdem in der Lage einen Strom fließen zu lassen – fertig ist der Prototyp für eine elektrisch auslesbare magnetische Speicherzelle.

Bis diese Speicherzelle tatsächlich in einem handelsüblichen Rechner zum Einsatz kommt, wird allerdings noch viel Zeit vergehen. Dafür spricht allein schon die Tatsache, dass Gallium-Mangan-Arsenid die gewünschte Eigenschaft nur bei sehr tiefen Temperaturen zeigt. Pappert etwa arbeitet mit minus 270 Grad Celsius. Trotzdem ist die Physikerin optimistisch, dass in absehbarer Zeit ein anderes Material gefunden wird, „das bei Raumtemperatur funktioniert“.

Die technische Umsetzbarkeit steht für sie sowieso nicht an vorderster Stelle: „Wir haben nur demonstriert, dass es funktioniert“, sagt sie. Die weitere Entwicklung ist dann ein anderes Kapitel.

Katrin Pappert, Silvia Hümpfner, Charles Gould, Jan Wenisch, Karl Brunner, Georg Schmidt & Laurens W. Molenkamp: „A non-volatile-memory device on the basis of engineered anisotropies in (Ga,Mn)As“, Nature Physics, online publiziert am 1. Juli 2007; doi:10.1038/nphys652

Ansprechpartner: Prof. Dr. Laurens Molenkamp, Tel.: (0931) 888 4925, E-Mail: laurens.molenkamp@physik.uni-wuerzburg.de