Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von 0 auf 1 in einer billionstel Sekunde

16.05.2019

Internationales Forscherteam legt Fundament für hocheffiziente magnetische Datenspeicherung mittels kurzer Lichtimpulse

Ein präzise dosierter und extrem kurzer Schubs aus Licht hat es Regensburger Physikern erlaubt, einen Elementarmagneten eines Festkörpers – den Spin eines Elektrons – effizienter und schneller denn je umzudrehen.


Mit Hilfe von kurzen Lichtblitzen lassen sich Spins innerhalb weniger Pikosekunden nahezu verlustfrei von einem stabilen Zustand (roter Pfeil) in einen neuen (weißer Pfeil) lenken.

Bild: Brad Baxley (parttowhole.com) – Zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung.

Damit haben sie einen wichtigen Schritt hin zu einer neuartigen, nahezu verlustfreien Informationstechnologie gemacht. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der kommenden Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“.

Trotz der rasant wachsenden Nachfrage nach immer schnellerer Elektronik stagnieren die Taktraten moderner Computer seit Jahren. Grund dafür ist vor allem, dass hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten in Rechnern zu massiver Wärmeentwicklung führen.

Mittlerweile sind Rechenzentren für nahezu fünf Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Aktuelle Speichertechnologien halten die binären Informationen („0“ und „1“) anhand der Orientierung winziger magnetischer Kompassnadeln – sogenannter Spins – fest, welche durch einen magnetischen Schreibkopf gelesen und geschrieben werden können.

Die geringe Effizienz dieses Ansatzes begrenzt die maximal erreichbaren Datentransferraten auf derzeit etwa eine Milliarde (109) Bits pro Sekunde. Vor diesem Hintergrund klingt es schon fast wie ein Traum, dass die Gesetze der Physik es grundsätzlich nicht verbieten, Daten viel schneller und nahezu ohne Energieverlust zu speichern.

Diese Hoffnung experimentell zu bestätigen, war das Ziel des Forscherteams um Prof. Dr. Rupert Huber und Priv.-Doz. Dr. Christoph Lange vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg sowie Dr. Rostislav Mikhaylovskiy und Prof. Alexey Kimel von der Radboud Universität in Nijmegen (Niederlande). Die Kernidee bestand darin, mit ultrakurzen Lichtblitzen Spins plötzlich auszulenken, um sie von einem stabilen Zustand so schnell in einen anderen zu schalten, dass sie keine Wärme erzeugen können.

Wählt man hierbei Lichtblitze im niederenergetischen infraroten Spektralbereich, dem sogenannten Terahertzbereich, so sollte dies besonders energieeffizient funktionieren.

Selbst mit den stärksten Terahertz-Strahlungsquellen stieß man aber bislang immer an Grenzen. „Man konnte die Spins zwar seit ein paar Jahren ein bisschen taumeln lassen, ihnen aber keinen derart heftigen Kick verpassen, dass sie sich komplett umdrehen“, erklärt Stefan Schlauderer, Erstautor der Publikation. Deshalb haben sich die Regensburger Physiker nun eines Tricks bedient.

„Wir haben eine kleine, goldene Antenne gebaut, um die Strahlung zusätzlich zu bündeln. Die Antenne ist etwa 70 Mikrometer lang und macht die Strahlung lokal so stark, dass sie ausreicht, um die Spins umzuschalten“, erzählt Dr. Lange. So konnten die Wissenschaftler die Ausrichtung der Elementarmagneten innerhalb weniger Pikosekunden (Millionstel einer Millionstel Sekunde) umschalten, wobei dazu lediglich die Energie eines einzelnen Terahertz-Lichtquants – eines Photons – pro Spin nötig war.

Damit übertreffen sie die Geschwindigkeit bestehender Technologien nicht nur tausendfach, sondern stellen auch einen neuen Rekord in der Energieeffizienz auf.

Mehr noch: „Durch die punktgenau dosierte Energiemenge läuft die Bewegung der Spins praktisch ungestört ab, sodass sich sogar Perspektiven für Quanteninformationsverarbeitung ergeben könnten“, so Dr. Lange. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für eine neue Generation der Informationstechnologie, die nicht nur eine maximal effiziente sondern auch ultimativ schnelle Datenspeicherung ermöglicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Priv.-Doz. Dr. habil. Christoph Lange
Am Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941-943-1800
E-Mail: christoph.lange@physik.uni-regensburg.de

Prof. Dr. Rupert Huber
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941-943-2070
E-Mail: rupert.huber@physik.uni-regensburg.de

Originalpublikation:

S. Schlauderer, C. Lange, S. Baierl, T. Ebnet, C. P. Schmid, D. C. Valovcin, A. K. Zvezdin, A. V. Kimel, R. V. Mikhaylovskiy, and R. Huber, “Temporal and spectral fingerprint of ultrafast all-coherent spin switching”, Nature (2019).
DOI: 10.1038/s41586-019-1174-7

ID: Nature 569, 383–387 (2019)

Link: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1174-7

Christina Glaser | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Direkte Abbildung von Riesenmolekülen
24.05.2019 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht MiLiQuant: Quantentechnologie nutzbar machen
23.05.2019 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Direkte Abbildung von Riesenmolekülen

Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnten riesige zweiatomige Moleküle erzeugen und mit einem hochaufgelösten Mikroskop direkt abbilden.

Die optische Auflösung einzelner Konstituenten herkömmlicher Moleküle ist aufgrund der kleinen Bindungslänge im Sub-Nanometerbereich bisher nicht möglich....

Im Focus: New studies increase confidence in NASA's measure of Earth's temperature

A new assessment of NASA's record of global temperatures revealed that the agency's estimate of Earth's long-term temperature rise in recent decades is accurate to within less than a tenth of a degree Fahrenheit, providing confidence that past and future research is correctly capturing rising surface temperatures.

The most complete assessment ever of statistical uncertainty within the GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP) data product shows that the annual values...

Im Focus: Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

Physiker der Universität Basel können erstmals zeigen, wie ein einzelnes Elektron in einem künstlichen Atom aussieht. Mithilfe einer neu entwickelten Methode sind sie in der Lage, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darzustellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronenspins verbessern, die als kleinste Informationseinheit eines zukünftigen Quantencomputers dienen könnten. Die Experimente wurden in «Physical Review Letters» und die Theorie dazu in «Physical Review B» veröffentlicht.

Der Spin eines Elektrons ist ein vielversprechender Kandidat, um als kleinste Informationseinheit (Qubit) eines Quantencomputers genutzt zu werden. Diesen Spin...

Im Focus: The geometry of an electron determined for the first time

Physicists at the University of Basel are able to show for the first time how a single electron looks in an artificial atom. A newly developed method enables them to show the probability of an electron being present in a space. This allows improved control of electron spins, which could serve as the smallest information unit in a future quantum computer. The experiments were published in Physical Review Letters and the related theory in Physical Review B.

The spin of an electron is a promising candidate for use as the smallest information unit (qubit) of a quantum computer. Controlling and switching this spin or...

Im Focus: Optische Superlinsen aus Gold

Oldenburger Forscher entwickeln neues optisches Mikroskop mit extrem hoher Auflösung

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, extrem leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Oldenburger Wissenschaftler in der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Effizientes Wertstoff-Recycling aus Elektronikgeräten

24.05.2019 | Veranstaltungen

Früherkennung 2.0: Mit Präzisionsmedizin Screeningverfahren weiterentwickeln

23.05.2019 | Veranstaltungen

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungen

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

Schweißen ohne Wärme

24.05.2019 | Maschinenbau

Bakterien in fermentierten Lebensmitteln interagieren mit unserem Immunsystem

24.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Wie Einzelzellen und Zellverbünde beim Navigieren zusammenwirken

24.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

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