Drei Magnetzustände pro Loch

06.02.2017 - Deutschland

Magnetische Lochgitter im Nanometer-Maßstab könnten neue Wege für die Computertechnik eröffnen. So haben Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit internationalen Kollegen gezeigt, wie sich ein solches Gitter aus Metall bei Raumtemperatur zuverlässig programmieren lässt. Sie fanden zudem heraus, dass bei jedem Loch („Antidot“) drei magnetische Zustände einstellbar sind.

Für die Programmierung der magnetischen Eigenschaften in einer dünnen Schicht aus dem Metall Kobalt entwarf der Physiker Dr. Rantej Bali vom HZDR zusammen mit Wissenschaftlern aus Singapur und Australien eine spezielle Gitterstruktur. Diese stellten seine Kollegen von der National University in Singapur in einem photolithographischen Prozess her, wie er auch in heutigen Chipfabriken benutzt wird. Im Ergebnis entstanden jeweils etwa 250 Nanometer (Millionstel Millimeter) große Löcher, sogenannte Antidots, die sich in regelmäßigen Abständen – mit jeweils 150 Nanometer breiten Zwischenräumen – in der Schicht anordneten. Dabei achteten die Spezialisten aus Singapur gemäß den Entwürfen aus Dresden darauf, dass das Metall-Netz ungefähr 50 Nanometer dünn ist, damit es stabil programmierbar wird.

In diesen besonderen Abmessungen zeigte das Antidot-Gitter aus Kobalt interessante Eigenschaften: Das Team um Dr. Bali fand heraus, dass sich mit Hilfe eines von außen angelegten, magnetischen Feldes drei verschiedene magnetische Zustände um jedes Loch herum einstellen lassen. Die Wissenschaftler nennen diese Zustände „G“, „C“ und „Q“. „Die Antidots sind jetzt weltweit sehr populär in der Forschergemeinde. Durch die Optimierung der Antidot-Geometrie konnten wir zeigen, dass sich die Spins, also die magnetischen Momente der Elektronen, rund um die Löcher zuverlässig programmieren lassen“, so Dr. Bali. „Unterstützung haben wir dabei auch von meinen ehemaligen Kollegen der University of Western Australia erhalten.“

Bausteine für zukünftige Logik

Da die einzelnen programmierbaren Löcher in einer magnetischen Metallschicht liegen, hat die Gitter-Geometrie das Potenzial für Computer, die mit Spinwellen statt mit elektrischem Strom arbeiten. „Spinwellen kann man sich ähnlich wie La-Ola-Wellen in einem Fußballstadion vorstellen. Die Welle pflanzt sich zwar durch das Stadion fort, die einzelnen Zuschauer, in unserem Fall die Elektronen, aber bleiben auf ihren Sitzplätzen“, erläutert Dr. Bali. Solche Spinwellen-Logikchips dürften weit weniger Strom verbrauchen als heutige Prozessoren, da keine elektrischen Ströme fließen müssen.

Außerdem kann in dem Lochgitter eine Vielzahl von Zuständen realisiert werden, wodurch den Spinwellen bestimmte Richtungen vorgeschrieben werden können. Damit ließe sich auch eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit in zukünftigen Logikchips realisieren. „Unsere Lochgitter könnten auch Bausteine für künftige Schaltkreise sein, die mit Spinwellen-Logik arbeiten“, schätzt Dr. Bali ein. Welche Dynamik die Spinwellen in solchen Lochgittern entwickeln, will nun der Physikdoktorand Tobias Schneider näher untersuchen. Er beteiligt sich unter anderem an der Entwicklung spezieller Computer-Programme, mit denen die komplexe Berechnung der Magnetzustände in einem Lochgitter möglich wird.