Die spinnen, die Elektronen

Spintronik: Das magnetische Dipolmoment der Elektronen lässt sich für Boolesche Logik-Gatter nutzen

Elektronen schleppen nicht nur Ladung, sondern auch einen Spin und somit ein magnetisches Dipolmoment mit sich herum, was sich technisch in Festplatten und magnetoresistiven RAM nutzen lässt, mit letzteren ließen sich möglicherweise schnell rekonfigurierbare elektronische Logikschaltungen bauen. Ein exotischer Ansatz liegt darin, die Bewegung magnetischer Domänengrenzen in Ferromagneten zu nutzen, wobei das Auslesen des Rechenergebnisses einen Umweg über ein magnetooptisches Messverfahren nötig macht. Die Vorteile der hier im Überblick beschriebenen Spin-Elektronik gegenüber der Silizium-Elektronik, die lediglich die Ladung ausnutzt, wären generell das schnellere Schalten und die kleinere Leistungsaufnahme.

Spin-Elektronik, kurz: Spintronik, klingt nach Science-Fiction, ist aber Stand der Technik mit den Festplatten als erster Anwendung des Massenmarktes, siehe den Beitrag 'Flotte Zelle' in der gedruckten c't, Ausgabe 18, vom 22. August 2005 auf Seite 49. Ein zweites im Beitrag beschriebenes Spintronik-Beispiel sind die magnetoresistiven RAM (MRAM) (Auf der Suche nach dem Heiligen Gral in der Welt der Halbleiterspeicher); bei diesen nichtflüchtigen Speichern hängt der Widerstand eines magnetischen Tunnelübergangs von der Magnetisierungsrichtung zweier ferromagnetischer Schichten ab – parallel oder antiparallel –, die einen Isolator umschließen. Hier gibt es konkurrierende Ansätze, von denen ist der ferroelektrische RAM einer der vielversprechenden.

Kombiniert man MRAM mit klassischen elektronischen Logikschaltungen, die wiederum aus Booleschen Gattern bestehen, so lässt sich ein rekonfigurierbarer Schaltkreis bauen, in dem die Verdrahtungsmuster, also die Schaltpläne, nichtflüchtig gespeichert sind. Bisher verwendet man in programmierbaren Logikbausteinen statt magnetischer Speicherzellen beispielsweise relativ langsame Flash-Speicher. Hier müsste die neue Technik also gegen bereits bekannte konkurrieren, auch wenn sie sich möglicherweise in einigen Nanosekunden umverdrahten ließe.

Aus AND- und NOT-Gattern lassen sich Logikschaltungen bauen und somit beispielsweise ein Mikroprozessor zusammensetzen. Die isolierende Leitungskreuzung ist bei der magnetisch gesteuerten Elektronik (rechts) technisch am schwersten zu fertigen, da die magnetischen Domänen keinesfalls senkrecht zur Leitungsrichtung verschoben werden sollen. Bei der klassischen Elektronik (Mitte) ist hingegen das AND-Gatter mit zwei Eingängen das kompliziertere Element. Die Magnetisierungsrichtungen an den beiden Eingängen des AND-Gatters legen den Zustand des Ausgangs fest. V_dd: Versorgungsspannung. (Bild: Russell Cowburn, Imperial College, London)

Eine weitere Idee ist, Elektronen je nach ihrer Magnetisierung, also ihrer beiden Spin-Ausrichtungen, in einem Transistor zu schalten, jedoch wirft das Einbringen ferromagnetischer Stoffe in Halbleiter technische Probleme auf; bei Raumtemperatur funktionieren die Bauelemente noch nicht. Bei Einzel-Elektronen-Transistoren würde die Sache erst recht knifflig, das heißt, Fertigungstoleranzen erscheinen derzeit als eine hohe Hürde. Britische Forscher kamen auf die Idee, auf Transistoren ganz zu verzichten und statt dessen magnetische Logikgatter zu bauen, in denen externe Magnetfelder magnetische Domänen-Grenzen verschieben und so Bits umklappen. Diese Bauelemente lassen sich allerdings nur auf einem Umweg auslesen, dem sogenannten magnetooptischen Kerr-Effekt (Eine Etappe auf dem weiten Weg zum Quantencomputer). Der Vorteil wäre eine um drei Größenordnungen niedrigere Leistungsaufnahme, verglichen mit der Silizium-Elektronik.

Die englischen Wissenschaftler beschreiben ihre Experimente im einem Übersichtsartikel in der Ausgabe vom 9. September 2005 der Zeitschrift Science in Band 309 auf Seite 1688. Sie bauten entsprechend der digitalen Elektronik NOT- und AND-Gatter, Leitungsverzweigungen und isolierende Leitungskreuzungen. Ein einfaches Beispiel ist ein Schieberegister aus acht NOT-Gattern – wobei eines dieser acht Gatter als Dateneingabe dient – sowie einer Abzweigung als Auskopplung. (Thomas Liebsch)

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