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 Neues Verfahren ermöglicht Lithiumabbau in Deutschland
01.07.2020 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Gewellte Oberflächen für bessere Lichtkontrolle
25.06.2020 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

Virtuelles Meeting mit dem BMBF: Medizintechnik trifft IT auf der DMEA sparks 2020

17.06.2020 | Veranstaltungen

Digital auf allen Kanälen: Lernplattformen, Learning Design, Künstliche Intelligenz in der betrieblichen Weiterbildung, Chatbots im B2B

17.06.2020 | Veranstaltungen

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

Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?

03.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Effizient, günstig und ästhetisch: 
Forscherteam baut Elektroden aus Laubblättern

03.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

03.07.2020 | Physik Astronomie

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