Mit Spinwellen zu ultraschnellen Schaltkreisen

(Nanowerk News) Computerchips werden immer kleiner und sie rechnen immer schneller. Doch die g√§ngigen Konzepte, auf denen elektronische Bauelemente beruhen, werden schon bald an ihre Grenzen sto√üen. Dann sind Dimensionen und Taktfrequenzen ausgereizt. Deshalb gewinnen alternative Ans√§tze zur Informationsverarbeitung an Bedeutung. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht Dr. Helmut Schulthei√ü an Spinwellen, die als Grundlage f√ľr v√∂llig neuartige Bauelemente gelten. Damit lassen sich ‚Äď so die Erwartungen ‚Äď Daten noch schneller verarbeiten bei gleichzeitig weniger Stromverbrauch und geringerer Abw√§rme. Aus dem Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) erh√§lt der Physiker nun rund 1,5 Millionen Euro F√∂rdermittel, um in den kommenden f√ľnf Jahren eine eigene Nachwuchsgruppe aufzubauen und seine Forschung auf diesem Gebiet zu intensivieren.
Dr. Helmut Schultheiß, Leiter Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am HZDR
Dr. Helmut Schultheiß, Leiter Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am HZDR.
"Die Aufnahme in das Emmy Noether-Programm ist eine großartige Auszeichnung“, freut sich Helmut Schultheiß. "Nun kann ich meine Forschung mit einer kleinen Arbeitsgruppe ausbauen.“
Bereits in seiner Doktorarbeit und als Postdoc hat er auf dem Gebiet der Spinwellen geforscht. Magnonen ‚Äď so hei√üen die Wellen in der Fachsprache ‚Äď sollen Mikroprozessoren zu mehr Leistung verhelfen. Heutige Chips arbeiten mit Elektronen, die durch Leiterbahnen und Bauelemente flie√üen. Bei den Magnonen muss hingegen kein Ladungstr√§ger mehr bewegt werden.
Helmut Schultheiß beschreibt das zugrundeliegende Phänomen: "Jedes Elektron hat ein magnetisches Moment, den sogenannten Spin. In einem ferromagnetischen Material kann man diese Spins so anregen, dass sie eine Welle bilden.“ Und mithilfe solcher Wellen kann man Informationen ebenso weitergeben wie mit fließenden Ladungsträgern. "Die Magnonik erlaubt eine besonders schnelle Signalverarbeitung auf sehr kleiner Längenskala“, betont Schultheiß, "Spinwellen haben Frequenzen bis in den Terahertzbereich.“
In klassischen ferromagnetischen Legierungen wie zum Beispiel Permalloy, aber auch in neuartigen Materialsystemen wollen die Forscher zu Untersuchungszwecken Spinwellen anregen und verfolgen, wie die Magnonen sich ausbreiten und miteinander wechselwirken. Denn wenn sich die Spinwellen √ľberlagern, kommt es zum Ausl√∂schen oder zur Verst√§rkung, wodurch Logikbausteine wie zum Beispiel Schalter entstehen. Um die Proben zu pr√§parieren, stehen am HZDR das Ionenstrahlzentrum, mit dessen Anlagen man zielgerichtet Ionen in das Material einbringen kann, zur Verf√ľgung sowie Reinr√§ume mit Verfahren der Elektronenstrahllithografie.
Spinwellen lassen sich mit verschiedenen Verfahren erzeugen. Helmut Schultheiß will mit seiner Nachwuchsgruppe gleich drei davon erproben.
"Zum einen wollen wir Mikrowellen nutzen‚Äú, sagt der Physiker. Diese Mikrowellenfelder k√∂nnen an die Eigenfrequenzen der Spins im Material ankoppeln und so eine Spinwelle hervorrufen. Ein zweiter Ansatz besteht in der Nutzung von konventionellen Ladungsstr√∂men. Flie√üende Elektronen k√∂nnen √ľber den Spin-Hall-Effekt einen sogenannten Spin-Strom erzeugen, der wiederum Spinwellen anregen kann. "Dieser Spin-transfer-torque-Effekt wurde erst in den 1990er Jahren entdeckt‚Äú, unterstreicht Schulthei√ü die Aktualit√§t seiner Forschungen auf dem Gebiet.
In weiteren Versuchen wollen die HZDR-Wissenschaftler untersuchen, ob sich Spinwellen mit Licht anregen lassen ‚Äď und in Umkehrung dazu, wie man mithilfe von Magnonen Licht manipulieren kann. "Das w√§re eine neue Technologie als Br√ľcke zwischen Photonik und Elektronik‚Äú, sagt Schulthei√ü.
Ferromagnete und ihre Eigenschaften sind ein hochaktuelles Forschungsgebiet. D√ľnne Schichten dieser Materialien haben in j√ľngster Zeit bei der Datenspeicherung und -verarbeitung breite Anwendung gefunden. So basiert heute die Funktionsweise des Schreib-Lese-Kopfes einer jeden Festplatte auf dem TMR-Effekt, dem Tunnelmagnetowiderstand, der in bestimmten magnetischen Schichtstrukturen auftritt. Der Effekt ist die Weiterentwicklung des Riesenmagnetowiderstandes, der 1988 von Albert Fert und Peter Gr√ľnberg entdeckt wurde, wof√ľr die beiden 2007 den Physik-Nobelpreis erhielten.
Mit dem Emmy Noether-Programm m√∂chte die Deutsche Forschungsgemeinschaft Nachwuchswissenschaftlern einen Weg zur fr√ľhen wissenschaftlichen Selbst√§ndigkeit er√∂ffnen, damit diese sich f√ľr eine Professur qualifizieren k√∂nnen. Helmut Schulthei√ü kam Mitte 2013 nach einem Postdoc-Aufenthalt am Argonne National Laboratory, einer amerikanischen Forschungseinrichtung in der N√§he von Chicago, an das HZDR. Seine Arbeitsgruppe wird drei Doktoranden umfassen sowie eine Postdoc-Stelle. Aus dem Programm flie√üen auch Gelder in die Laborausstattung, wo die Physiker derzeit spektroskopische Ger√§te aufbauen, mit denen sie die Dynamik der Spinwellen untersuchen k√∂nnen.
Source: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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