Daten leiten mit Magnonen

  • 14. September 2018

Magnetische Wellen in antiferro­magnetischem Eisenoxid für schnelle Schalt­prozesse.

Physikern der Johannes Gutenberg-Univer­sität in Mainz ist es gelungen, eine Langstrecken­übertragung von Daten in einem isolierenden Antiferro­magneten zu beobachten. Antiferro­magnete können prinzipiell wesentlich schnellere Rechen­geschwindig­keiten erreichen als herkömmliche ferro­magnetische Bauteile. Konven­tionelle Geräte auf der Basis von derzeitigen metallischen und Halb­leiter-Technologien haben den uner­wünschten Nebeneffekt, dass sie zu heiß werden und ihre Geschwin­digkeit an Grenzen kommt. Dies verzögert den Fortschritt in der Informations­technologie.

Abb.: Elektrischer Strom in einem Platindraht (li.) erzeugt eine magnetische Welle in antiferromagnetischem Eisenoxid (Wellenlinien). Diese wird in einem zweiten Platindraht (re.) in eine messbare Spannung umgewandelt. Die roten und blauen Pfeile stellen die antiferromagnetische Ausrichtung des Eisenoxids dar. (Bild: A. Ross)

Abb.: Elektrischer Strom in einem Platindraht (li.) erzeugt eine magnetische Welle in antiferromagnetischem Eisenoxid (Wellenlinien). Diese wird in einem zweiten Platindraht (re.) in eine messbare Spannung umgewandelt. Die roten und blauen Pfeile stellen die antiferromagnetische Ausrichtung des Eisenoxids dar. (Bild: A. Ross)

Das aufstrebende Gebiet der Magnonik versucht, diese Probleme mithilfe von elektrisch iso­lierenden Materia­lien zu lösen, die magne­tische Wellen – Magnonen – trans­portieren können. Magnonen sind in der Lage, Daten ohne den nach­teiligen Effekt der übermäßigen Wärme­produktion durch Ladungs­transport zu über­mitteln. Die Mainzer Physiker haben in Kooperation mit Theo­retikern der Utrecht Univer­sity in den Nieder­landen und des Center for Quantum Spintronics in Norwegen nachge­wiesen, dass antiferro­magnetisches Eisenoxid, der Haupt­bestandteil von Rost, ein billiges und vielver­sprechendes Material für den Informations­transport darstellt – bei geringerem Energie­verlust und damit weniger Abwärme.

Wenn weniger Wärme erzeugt wird, können die Kompo­nenten noch kleiner werden, während gleichzeitig die Informations­dichte steigt. Antiferro­magnete, die größte Gruppe der magne­tischen Materialien, haben einige entschei­dende Vorteile gegenüber anderen üblicher­weise verwendeten metal­lischen magne­tischen Kompo­nenten, die auf Eisen oder Nickel basieren. Sie sind zum Beispiel stabil und unem­pfindlich gegenüber externen magne­tischen Feldern – eine zentrale Bedingung für künftige Datenspeicher­systeme. Außerdem haben Bauteile auf der Basis von Antiferro­magneten das Potenzial, einige tausend Mal schneller zu arbeiten als herkömm­liche Tech­nologien: Die intrin­sische Dynamik liegt im Terahertz-Bereich und damit poten­ziell über einer Billion Arbeits­prozessen pro Sekunde.

Die Wissen­schaftler haben ein Eisen­oxid-Kristall mit Platin­drähten versehen, in denen ein elektrischer Strom fließt. Dieser elektrische Strom veranlasst eine Energie­übertragung von Platin in das Eisenoxid und dadurch die Entstehung von Magnonen. Die Physiker stellten fest, dass das Eisenoxid in der Lage war, Infor­mationen mithilfe von Magnonen über die weiten Entfer­nungen zu trans­portieren, die für Rechen­bauteile notwendig sind. „Das Ergebnis zeigt, dass Antiferro­magnete potenziell als Ersatz für die derzeit verwendeten Kompo­nenten geeignet sind“, sagt Romain Lebrun vom Institut für Physik der JGU. „Schnelle Geräte auf Basis antiferro­magnetischer Iso­latoren sind jetzt in den Bereich des Vorstell­baren gerückt.“

Sein Kollege Andrew Ross ergänzt: „Falls man imstande ist, isolierende Antiferro­magnete zu kontrol­lieren, könnten sie ohne exzessive Wärme­produktion arbeiten und wären stabil gegenüber externen Störungen.“ Gruppen­leiter Mathias Kläui bemerkt dazu: „Ich freue mich sehr, dass diese Arbeit in einer inter­nationalen Zusammen­arbeit erreicht wurde. Inter­nationali­sierung ist ein Hauptziel unserer Forschungs­gruppe und insbe­sondere auch unserer Exzellenz-Graduierten­schule Materials Science in Mainz. Koopera­tionen mit weltweit führenden Insti­tutionen wie dem Center for Quantum Spin­tronics und der Utrecht Univer­sity machen Spitzen­forschung möglich.“

JGU / JOL

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