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Zukünftig auf demselben Chip: Daten speichern und verarbeiten
In der Fachzeitschrift Nature Materials berichten Forscher von Queen Mary (ein College der University of London), der Universität Freiburg und des Paul Scherrer Instituts (PSI), wie es ihnen gelungen ist, magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern zu beeinflussen. Diese wichtige Entdeckung könnte es ermöglichen, die Eigenschaften von Elektronen in einem Computerchip gleichzeitig für Verarbeitung und Speicherung von Daten zu nutzen. Die bisherige räumliche Trennung von Speicher- und Rechenchip würde entfallen. In Zukunft könnte dies die Entwicklung erheblich sparsamerer und leichterer elektronischer Geräte aller Art ermöglichen.
Die sogenannte Spintronik (aus den Worten Spin und Elektronik) gehört zum Forschungsgebiet der Nanoelektronik und hat sich rasch zu einer global verwendeten Technik für Computerfestplatten entwickelt. Elektronische Bauteile, die abwechselnd aus dünnen magnetischen und unmagnetischen Schichten bestehen, nutzen die magnetischen Eigenschaften – den Spin – der Elektronen, um Daten und Informationen, die auf einer Festplatte gespeichert sind, auszulesen. Grundlage dafür ist der physikalische Effekt Riesen-Magneto-Widerstand (oder GMR-Effekt), der die Entwicklung neuer Leseköpfe in kleinen Computerfestplatten ermöglicht. Die Speicherkapazität verschiedener Laufwerke konnte mit dem GMR-Effekt in den Gigabite-Bereich gesteigert werden. Die Datenverarbeitung im Computer beruht hingegen darauf, dass die elektrisch geladenen Elektronen in einer winzigen Schaltung fliessen, die in einem Mikrochip geätzt sind.
Energiesparende und leichtere Geräte
Das Spannende ist, dass wir diese Entdeckung an flexiblen organischen Halbleitern gezeigt haben – Materialien, aus denen Handydisplays, Fernseher und Computermonitore der nächsten Generation bestehen dürften. Unsere Entdeckung könnte bedeuten, dass solche Geräte in Zukunft deutlich energieeffizienter und leichter sein werden, erklärt Forschungsleiter Dr. Alan Drew der Physikfakultät von Queen Mary. Drew und sein Team haben untersucht, wie Schichten von Lithiumfluorid (LiF), das ein inneres elektrisches Feld besitzt, die Spins der Elektronen verändern können, die durch ein solches Dünnschichtsystem fliessen.
Während es einfach ist, sich theoretisch vorzustellen, wie man in einem Bauteil Spin und Ladung der Elektronen kombinieren kann, haben wir als erste gezeigt, dass es möglich ist, Spins gezielt mit Hilfe elektrischer Felder zu kontrollieren, betont der Forscher.
Verfahren steht nur in der Schweiz zur Verfügung
Mit dem verwendeten spektroskopische Verfahren der Spinrotation mit niederenergetischen Myonen konnte die Spinpolarisation in der Nähe verborgener Grenzflächen in der Dünnschichtanordnung sichtbar gemacht werden, erläutert Professor Christian Bernhard vom Physikdepartment der Universität Freiburg die erfolgreiche Methode. Die Experimente sind am Paul Scherrer Institut, dem einzigen Ort weltweit, an dem dieses Verfahren zur Verfügung steht, durchgeführt worden. Diese Methode nutzt die magnetischen Eigenschaften von Myonen – instabilen Elementarteilchen.
In einem solchen Experiment schiesst man Myonen in das Material hinein. Wenn die Myonen dann zerfallen, tragen die Zerfallsprodukte Information über magnetische Prozesse im Inneren des Materials, erklärt Dr. Andreas Suter vom PSI, wo dieses Verfahren entwickelt worden ist.
Das einzigartige an niederenergetischen Myonen ist, dass man sie gezielt in eine bestimmte Schicht eines Dünnschichtsystems hineinschiessen kann. So kann man mit diesem Verfahren den Magnetismus jeder einzelnen Schicht getrennt untersuchen.
Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.