Elektronische Geräte werden immer kleiner und leistungsfähiger. Durch die hohe Abwärme des elektrischen Stroms sind dem aber Grenzen gesetzt. An Alternativen wird seit langem geforscht, darunter auch der Einsatz von Spinwellen. Erstmals ist es nun Physikern der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern gelungen, Informationen mittels Spinwellen in einem speziellen Bauteil zu verarbeiten. In Zukunft könnte diese Technologie die Übertragung und Verarbeitung von Daten schneller und effizienter machen und sogar herkömmliche Halbleiter ersetzen. 

Ein Spin beschreibt den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, zum Beispiel bei einem Elektron oder Proton, und bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene. Die Quantenteilchen der Spinwellen, die Magnonen, können mehr Informationen transportieren als Elektronen, verbrauchen dabei deutlich weniger Energie und erzeugen weniger Abwärme. Dies macht Spinwellen für die Anwendung interessant.

Doktorand Tobias Fischer, Erstautor der aktuellen Studie, hat erstmals untersucht, ob Spinwellen in einem sogenannten logischen Gatter verarbeitet werden können. Bisher verarbeiten solche Bauteile Informationen mittels elektrischem Strom. Sie kommen zum Beispiel in Computern in Form von Transistoren zum Einsatz. Die Signalkodierung bei einem solchen Logikgatter erfolgt über die Zustände „0“ und „1“.

Dreizack aus dem Mineral Yttrium-Eisen-Granat

Das Bauteil der Kaiserslauterer Physiker hat die Form eines Dreizacks und besteht aus dem Mineral Yttrium-Eisen-Granat, das magnetisch ist. „In die einzelnen Zacken werden Spinwellen eingespeist. Wichtig ist hierbei die Phase, also ob relativ zu einer Referenzzeit gerade ein Wellenberg oder ein Wellental anliegt“, erklärt Fischer das Prinzip. In der Folge laufen diese Wellen durch alle drei Zacken zum anderen Ende ähnlich wie eine Zuschauer Welle im Fußballstadion. Am Knotenpunkt des Dreizacks überlagern sich die Wellen schließlich.

„Durch diese Interferenzen kommt es zu einer Verschiebung der Wellenberge und -täler“, sagt Dr. Andrii Chumak, Mitautor der Studie. „Diese Signale, die sogenannten Phasenverschiebungen, können wir auslesen.“

Fischers Kollegen hatten diese Wellen bereits zuvor in Simulationen untersucht. Der Doktorand konnte diese nun im Experiment nachweisen.

Spinwellen als Alternative für Halbleiter-basierte Technologien

Techniken wie diese könnten künftig das Verarbeiten von Informationen wesentlich schneller und effizienter gestalten, etwa als Alternative für derzeitige Halbleiter-basierte Technologien. „Im Gegensatz zu elektrischem Strom hätte man weniger Verluste durch Abwärme“, nennt Fischer als Vorteil.

Fischer und Chumak forschen am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TU Kaiserslautern. Sie arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Spin+X – Spin in its collective environment“. Hier untersuchen Forscherteams aus Physik, Chemie, Maschinenbau und Verfahrenstechnik grundlegende magnetische Eigenschaften, Phänomene und Prozesse. Bereits heute sind diese von zentraler Bedeutung für moderne Techniken wie Datenspeicherung und magnetische Sensorik.

Für seine Forschungsarbeit erhielt Andrii Chumak in der Vergangenheit bereits einen ERC Starting Grant – einen der höchsten Forschungspreise der EU.

Originalpublikation:
„Experimental prototype of a spin-wave majority gate,“ T. Fischer, M. Kewenig, D. A. Bozhko, A. A. Serga, I. I. Syvorotka, F. Ciubotaru, C. Adelmann, B. Hillebrands, and A. V. Chumak (DOI: 10.1063/1.4979840). http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4979840

Weitere Informationen:
Technische Universität Kaiserslautern
www.physik.uni-kl.de

Bildhinweis:
Thema Spinwellen: Erstmals haben Physiker der TU Kaiserslautern eine Informationsverarbeitung durch Spinwellen in diesem technischem Bauteil demonstriert. Foto: AG Hillebrands/TU Kaiserslautern

12.04.2017