Revolution der Basistechnologie

Neue Spintronic-Elemente ermöglichen Arbeitsspeicher auf magnetischer Basis

Die Spintronic verbindet Halbleitertechnologie und Magnetismus, als Teilbereich der Magnetoelektronik ist ein innovatives und rasant wachsendes Arbeitsgebiet der Festkörperforschung in der Physik. Magnetoelektronische Bauelemente, v.a. in Computern, beruhen auf dem Phänomen, dass beim Transport der Elektronen in diesen Elementen nicht nur die Ladung des Elektrons wichtig ist, sondern auch der "Spin". Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft des Elektrons. In Teilaspekten kann er als eine Art Eigendrehung verstanden werden. Spintronic nutzt diesen Spin, also nicht nur die elektrische Ladung der Elektronen.

Die holländischen Physiker F. J. Jedema, A.T. Filip und B.J. van Wees von der Universität Groningen berichten in Nature von ihrer Entdeckung, Spin-Akkumulation in einem rein metallischen Element von Mikrogröße bei Raumtemperatur beobachtet zu haben. Da ist ein entscheidender Schritt zur praktischen Nutzung von Spintronic und nun gibt es ein System, in dem elektronische Spin-Verhalten in einem Festkörper-Zustand studiert werden kann.

Die Forschung verspricht sich von Spintronic sehr viel für die Entwicklung von Computer-Chips. Theoretisch können magnetische Halbleiter-Chips in Zukunft gleichzeitig Daten verarbeiten und magnetisch speichern, d.h. ein solches Element kann sowohl als Prozessor wie Speichermedium verwendet werden. Japanischen Wissenschaftlern der Tohoku Universität gelang es Ende 2000 in einem Halbleitermaterial ein Magnetfeld beliebig an- und auszuschalten. Der entsprechende Chip besteht aus einer Iridium-Mangan-Arsenid-Legierung. Noch ist nicht klar, was für die Ausrichtung der einzelnen magnetischen Dipole verantwortlich ist, und bisher klappte Spintronik nur bei rund minus 250 Grad Celsius (23.15 Kelvin) und Schaltspannungen von etwa 125 Volt.

Die Wissenschaftler aus Groningen setzen diese Studien jetzt fort, sie arbeiteten mit ferromagnetischen Elektroden und Kupfer-Lagen. Bisher wurde Spintronic realisiert, indem ferromagnetische Lagen durch dünne nichtmagnetische Metall- oder Halbleiterschichten getrennt wurden, damit dann die Elektronen tunneln konnten. Die Ausrichtung der Spins in den magnetischen Lagen wurde durch ein äußeres Magnetfeld unabhängig kontrolliert. Die Stromimpulse kommen durch Kupferdrähte.

In den sehr dünnen Schichten von einigen Nanometern Dicke führen die Spin-Phänomene zu großen Änderungen des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von Richtung und Stärke des äußeren Magnetfelds. Bauelemente könnten dadurch noch stärker miniaturisiert werden als in der herkömmlichen Mikroelektronik.

1.Schematic picture of a tilted hexatic phase viewed from above. The projection of the molecules on the surface plane are oval; the dark circles represent the headgroups at the interface. In this case, the molecular tilt direction is locked into the nearest neighbour direction of the local distorted-hexagonal unit cell. We note that the orientation of the unit cell remains uniform despite the presence of a lattice dislocation that destroys the positional registry of the lattice.2.Schematic picture of a nematic phase. Molecules are aligned in a common direction on average, but their positions are random.

Die jüngsten Entwicklungen der Magnetoelektronik haben in unglaublich kurzer Zeit die Umsetzung vom Effekt der Grundlagenphysik zu einem technologischen Produkt, konkret den Leseköpfen in modernen Festplatten, gebracht. Die Technik macht es möglich, dass die Festplatten inzwischen riesige Datenmengen speichern können und das bei kontinuierlich fallenden Preisen. Die neuen Entwicklungen in der Spintronic könnte diese Revolution der Basistechnologie vorantreiben und wenn endlich Serienreife vorliegt - vermutlich erst in einigen Jahren - wird sich ein immenser Markt auftun.

In einem Computer besteht bisher CPU und RAM aus Halbleitern, während die Festplatte magnetisch speichert. Deshalb geht bisher Information verloren, wenn der Computer abstürzt oder ausgeschaltet wird. In Zukunft könnten alle Rechnerteile genau wie die Festplatte den Magnetowiderstandseffekt nutzen, damit würde die bisherige Aufteilung aufgehoben und auch der Arbeitsspeicher auf magnetischer Basis funktionieren. Neben Computern wird aber auch ein enormes Potential für praktische Umsetzungen in mobilen elektronischen Geräten, zum Beispiel Laptops, UMTS-Handys oder Organizer gesehen. Die meisten von uns heute gehandelte Informationen werden magnetisch gespeichert, schon jetzt verdient die Industrie, die magnetische Speichermedien herstellt, inklusive Audio-, Videoprodukte und Computerfestplatten, jährlich $ 150 Milliarden. (Andrea Naica-Loebell)

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