Das kleinste ''Oder'' der Welt

  • 06. May 2011

Das kleinste "Oder" der Welt

Ein logisches Oder-Gatter schaltet dank Nano-Spintronik ohne Stromfluss.

Wissenschaftler der Universität Hamburg konnten erstmals ein funktionierendes Spintronik-Logik-Bauteil verwirklichen, das aus wenigen magnetischen Atomen aufgebaut ist. Beim Schalten des realisierten logischen Oder-Gatters ist im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen kein Stromfluss nötig, da nur die magnetische Ausrichtung der Atome umgeschaltet wird. Die Ergebnisse sind ein Durchbruch im Bereich der Nano-Spintronik und zeigen auf, wie zukünftige Computerbausteine aussehen könnten: Atomar klein, bis zu 10.000 Gigahertz schnell und fast ohne Stromverbrauch.

Abb.: Aufbau des Nano-Spintronik-Logikgatters. Die dreieckigen Strukturen sind magnetische Kobalt-Inseln mit einer Höhe von zwei Atomlagen und die gelben Kugeln symbolisieren einzelne Eisen-Atome. Die roten und grünen Pfeile zeigen die magnetische Ausrichtung an. Die Größe des eigentlichen logischen Gatters aus drei Eisen-Atomen beträgt ca. 3 Nanometer. (Bild: A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, Universität Hamburg)

Um ihr neuartiges Bauteil zu verwirklichen, brachten die Physiker um Alexander Khajetoorians und Jens Wiebe Kobalt auf eine Kupferoberfläche auf. Dabei entstanden dreieckige Inseln, die aus ca. 100 Kobalt-Atomen bestehen. Anschließend verbanden die Wissenschaftler zwei der Kobalt-Inseln mit Ketten aus einzelnen Eisen-Atomen mit Hilfe der Nadel eines Rastertunnelmikroskops. Wichtig war dabei, dass die Eisen-Atome in definierten Abständen zueinander und zu den Kobalt-Inseln auf der Kupferoberfläche angeordnet wurden.

Die beiden Kobalt-Inseln sind die Eingabe-Einheiten für die zu verarbeitenden magnetischen Informationen. In der Mitte des Spintronik-Bauteils, dort wo die beiden Ketten auf einander treffen, liegt ein einzelnes Eisen-Atom, das als Ausgabe-Einheit dient und in Abhängigkeit von der Eingabe über die Kobalt-Inseln logisch geschaltet wird. Der magnetische Zustand des Ausgabe-Atoms wird mit Hilfe der spinsensitiven Nadel des Rastertunnelmikroskops ausgelesen, die dafür mit einem magnetischen Material beschichtet wurde.

Durch die definierten Abstände der Eisen-Atome zueinander und zu den Kobaltinseln nehmen die Spins der Atome einen anti-parallelen Zustand ein, d.h. die winzigen Kompassnadeln zeigen von Atom zu Atom in entgegen gesetzte Richtungen. Ändert man nun die magnetische Ausrichtung der beiden Eingabe-Inseln, dann richten sich die Spins der Eisen-Atome auch wieder anti-parallel zu den Inseln aus und ähnlich wie bei einem Dominospiel kippen die Kompassnadeln nacheinander um und passen sich der neuen Eingabe an. Das Ausgabe-Atom wird dabei logisch geschaltet. Wie die Wissenschaftler in einer früheren Arbeit bereits festgestellt hatten, erfolgt der Umschaltprozess eines der Spins in einer extrem kurzen Zeit von einem Zehnbillionstel einer Sekunde, was extrem schnelle Schaltfrequenzen der neuartigen Bauteile erwarten lässt.

Sonderforschungsbereich 668 / AL


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