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Spinwellen statt Strom: TU Kaiserslautern zeigt den Magnonentransistor

Auf der CeBIT hat ein Team aus Physikern einen funktionierenden Magnonentransistor gezeigt. Das Schaltelement könnte im Idealfall eine ganz neue Generation klassisch entworfener Computer ermöglichen, die weitgehend ohne Strom funktioniert.

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Spinwellen statt Strom: TU Kaiserslautern zeigt den Magnonentransistor

Der Fluss der Magnonen von der Quelle zur Senke (blaue Teilchen) wird von Magnonen am Gatter (rote Teilchen) gesteuert. Das Prinzip entspricht genau dem klassischen Transistor in dem Elektronen fließen.

(Bild: Chumak, Serga, Hillebrands)

Das Herzstück sämtlicher Logikschaltungen, die in Computern eingesetzt werden, ist der Transistor. Durch die Erfindung der CMOS-Technologie 1963 und deren Einsatz in integrierten Schaltungen wurden der moderne Computer und die digitale Revolution erst ermöglicht. Seitdem gilt das mooresche Gesetz, das eine immer weiter steigende Leistung der Rechner aufbauend auf immer kleineren Transistoren vorhersagt. Mit CMOS realisierte Schaltkreise lassen sich aber nicht beliebig verkleinern, und Chiphersteller wie Intel oder Samsung greifen bereits heute auf Tricks zurück, um die physikalischen Grenzen auszuloten und noch mehr Transistoren auf gleicher Fläche unterzubringen. Ein Ende der Verkleinerung ist aber absehbar.

Ein Forscherteam der TU Kaiserslautern um Prof. Hillebrands setzt direkt an der physikalischen Grenze an und versucht, statt mit Elektronen mit kleineren Teilchen Transistoren zu schaffen. Die sogenannten Magnonen, die die Physiker in ihrem Transistor verwenden, sind keine Teilchen der klassischen Physik, sondern gehören als kleinste physikalische Einheit einer Spinwelle in den Bereich der Quantenmechanik. Trotzdem plant das Team aus Kaiserslautern keinen Quantencomputer, der Effekte der Quantenmechanik für Berechnungen nutzt. Ihr neuer Transistor soll wie bei heutigen Computern für Logikgatter verwendet werden.

Der Vorteil des neuen Ansatzes: Da kein Strom fließt, können Ohm'sche Verluste vermieden werden, was Schaltungen aus Magnonentransistoren sehr energieeffizient machen könnte. Zusammen mit einer Miniaturisierung mindestens im Bereich heutiger Prozessoren und mit sehr schnellen Schaltzeiten könnte mit dem Magnonentransistor ein revolutionär besserer Computer entstehen.

Auf der CeBIT haben die Physiker bereits einen einzelnen funktionierenden Magnonentransistor gezeigt (am Gemeinschaftsstand des Landes Rheinland-Pfalz). Für die Verkleinerung und Verschaltung zu Logikgattern sei aber noch viel Forschungsarbeit notwendig. Prof. Hillebrands vergleicht den gezeigten Prototypen mit dem Kristalltransistor von 1947.

Prinzipiell ließen sich für Schaltungen der Magnonik etablierte Fertigungsverfahren einsetzen, die zu CMOS kompatibel wären. Welche Materialien dafür nötig wären, können die Forscher aber noch nicht sagen. Auch ob es im Bereich unter 50 nm zu unerwünschten quantenmechanischen Wechselwirkungen kommt, ist noch nicht erforscht. Im Anbetracht der umfangreichen Grundlagenforschung, die für den Magnonencomputer noch nötig wäre, spricht das Team in Ihren Publikationen daher zurückhaltend vom "Computer für übermorgen". (pmk)

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