Spin-Elektronik soll Informationstechnologie revolutionieren
Elektronen-Drall gibt dem PC ein Gedächtnis

Computerchips könnten viel schneller schalten, wenn sie die Eigenschaft der Elektronen besser nutzen würden. Diese drehen sich wie Kreisel um sich selbst und besitzen einen Drall, den Spin. Weltweit erkunden Physiker nun, wie sich der Eigendrall der Elektronen in der Mikroelektronik nutzen lässt.

HB HANNOVER. Glaubt man den IT-Herstellern, dann könnte die Spinelektronik, kurz Spintronik, der Branche bald Milliardenumsätze bescheren. Mehrere High-Tech-Firmen arbeiten deshalb zurzeit mit Hochdruck an entsprechenden Forschungsvorhaben.

Am weitesten gediehen ist ein Gemeinschaftsprojekt von IBM und Infineon. Die Konzerne konstruieren einen magnetischen RAM, einen Chip für den Arbeitsspeicher des Computers, der bei einem Rechnerabsturz sein Gedächtnis behalten würde.

Das Bauprinzip basiert auf einer Art Magnet-Sandwich. Zwischen zwei extrem dünne Magnetschichten platzieren die Forscher einen nanometerfeinen Film aus einem elektrischen Isolator wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Die Spins der unteren Schicht sind fest ausgerichtet. Die Spins der oberen Schicht können hingegen mit elektrischem Strom geschaltet werden. Entscheidend ist, dass die beiden Magnetschichten durch die hauchdünne Isolator-Mittelschicht miteinander kommunizieren können. Je nachdem, in welche Richtung die beiden Magneten zeigen, heben sie das Magnetfeld des anderen gerade auf - oder sie verstärken es. Auf diese Weise lässt sich die kleinste Einheit der Information, ein Bit, sehr effektiv speichern.

Magnetische Tunnelverbindungen

"Magnetische Tunnelverbindungen" werden die neuen Bausteine genannt. "Der größte Speicher, den wir bislang gebaut haben, hat zwar nur 2 000 Bit", erläutert Stuart Parkin vom IBM-Forschungszentrum im kalifornischen San Jose. "Das aber reicht aus, um abschätzen zu können, wie man ihn wesentlich vergrößern kann und welche Probleme man dabei lösen muss." Im vergangenen Jahr hat sich IBM mit Infineon zusammengetan, um innerhalb der nächsten drei Jahre einen absturzsicheren RAM-Speicher mit 256 Megabit zu bauen - das wäre ein lukrativer Zukunftsmarkt.

Der IBM-Speicherchip basiert auf magnetischen Metallen, weshalb die Fachleute auch von der Magnetoelektronik sprechen. Andere Experten setzen hingegen auf Halbleiter. "Bisher hat sich gezeigt, dass man alles, was man mit Metallen machen kann, mit Halbleitern viel besser erreichen kann", sagt Prof. Michael Oestreich von der Universität Hannover.

Der Grund: Halbleiter lassen sich deutlich besser steuern als Metalle. Ihre elektrische Leitfähigkeit lässt sich genau einstellen. Diesen Vorteil wollen die Forscher jetzt auch bei der Spintronik nutzen. "Das Besondere am Spin ist, dass das Elektron entweder rechts oder links herum rotieren kann", so Oestreich. "Dieses rechts oder links entspricht dann genau der Eins und der Null der digitalen Informationsverarbeitung."

Der Clou: In einem herkömmlichen Chip wird die digitale Information weitergegeben, indem Elektronen von einem Ort zum anderen fließen. Ganz anders soll die Spintronik funktionieren: Hier sollen die Elektronen an ihrem Ort bleiben und lediglich ihren Spin, ihre Orientierung, weitergeben.

Die herkömmliche Elektronik entspricht einem Volkslauf, bei dem sich ungezählte Elektronen abhetzen müssen. Bei der Spintronik bleiben die Läufer stehen und reichen ein Staffelholz in Windeseile von Nachbar zu Nachbar weiter. Das bedeutet: In einem Spintronik-Chip würden letztlich keine Ströme fließen. Er würde sich kaum erhitzen und könnte deshalb deutlich kleiner gebaut werden als heutige Chips.

Halbleiter nicht flüchtig

Die Forscher träumen von einer noch schnelleren Datenübertragung als mit der konventionellen Elektronik. Doch das wäre nicht das einzige Plus. Ebenso wie die magnetischen Arbeitsspeicher von IBM wären auch Spintronik-Halbleiter nicht flüchtig. "Wenn die Information einmal da ist, kann man den Strom abschalten", erläutert Oestreich. "Man würde morgens den Rechner einschalten und könnte sofort dort weitermachen, wo man aufgehört hat."

Doch ließen sich Spintronik-Chips auch genauso preiswert und rentabel herstellen wie heutige Prozessoren? Kein Problem, meint Prof. Michael Oestreich: "Da die Spintronik-Bauelemente ebenfalls aus Halbleitern bestehen, könnte man exakt die gleichen Fertigungsschritte wie heute bekannt benutzen." Die Spintronik sei völlig kompatibel zur heutigen Elektronik, und bei den Produktionsverfahren bestünde nur wenig Entwicklungsbedarf.

Wahrscheinlich wird die Spintronik aber die heutige Elektronik nicht ersetzen, sondern ergänzen. Dabei denken die Experten zunächst an Bauteile, die sowohl mit Strom funktionieren als auch mit Spin. Der Vorteil: mehr Schaltprozesse auf gleichem Raum, also effektivere Bauelemente.

Serviceangebote
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%