Magnetischer Nanoschalter für Thermospannungen

  • 24. October 2011

Ein neu entdeckter Effekt in magnetischen Tunnelstrukturen erlaubt die Kontrolle von Thermospannungen in nanoelektronischen Schaltungen.

Die Wärme, die in winzigen Computerprozessoren entsteht, ist vielleicht bald nicht mehr nutzlos oder gar problematisch. Im Gegenteil, sie könnte dazu genutzt werden, um eben diese Prozessoren leichter zu schalten oder um Daten effizienter zu speichern. Das sind zwei der möglichen Anwendungen einer Entdeckung aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB. Diese sogenannte Tunnel-Magneto-Thermospannung dürfte vor allem für den Einsatz von nanoelektronischen Schaltungen, also kleinen Bauteilen auf der Basis von magnetischen Tunnelstrukturen, sehr interessant sein.

Eine magnetische Tunnelstruktur besteht aus zwei magnetischen Schichten (rot, blau), die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht (grau)getrennt sind, die Tunnelbarriere

Abb.: Eine magnetische Tunnelstruktur besteht aus zwei magnetischen Schichten (rot, blau), die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht (grau) getrennt sind, die Tunnelbarriere. Liegt eine Temperaturdifferenz ΔT über der Barriere an, so fällt zwischen der heißen (rot) und einer kalten (blau) Schicht eine Thermospannung VTh ab. Ändert man nun die magnetische Ausrichtung z.B. der heißen Schicht gegenüber der der kalten (Pfeile), führt das zu einer starken Änderung der gemessenen Thermospannung. (Bild.: Schumacher, PTB)

Magnetische Tunnelstrukturen kommen bereits heute in verschiedenen Bereichen der Informationstechnologie zur Anwendung. Zum Beispiel dienen sie als magnetische Speicherzellen in nichtflüchtigen magnetischen Speicherchips (MRAMs) oder als hochempfindliche magnetische Sensoren zum Auslesen der auf Festplatten gespeicherten Daten. Der in der PTB im Rahmen einer Forschungskollaboration mit der Uni Bielefeld und der Firma Singulus entdeckte neue Effekt könnte diesen bestehenden Anwendungen zukünftig eine weitere hinzufügen: die Kontrolle und Steuerung von thermischen Spannungen und Strömen in hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen.

Magnetische Tunnelstrukturen bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht voneinander getrennt sind, der Tunnelbarriere. Die magnetische Orientierung der beiden Schichten in der Tunnelstruktur hat einen großen Einfluss auf ihre elektrischen Eigenschaften: Sind die magnetischen Momente der beiden Schichten parallel ausgerichtet, ist der Widerstand niedrig, sind sie entgegengesetzt, ist er hoch. Die Widerstandsänderung beim Umschalten der Magnetisierung kann dabei deutlich über hundert Prozent betragen. So lässt sich über das Schalten der Magnetisierung der elektrische Stromfluss durch die magnetische Tunnelstruktur effizient kontrollieren.

Die Arbeiten der PTB-Forscher zeigen nun, dass neben dem elektrischen Strom auch der thermische Strom durch die Tunnelstruktur über das Schalten der Magnetisierung beeinflusst werden kann. In ihren Experimenten erzeugten die Wissenschaftler einen Temperaturunterschied zwischen den beiden magnetischen Schichten und untersuchten die dadurch entstehende Thermospannung. Dabei zeigte sich: Diese ist fast genauso stark von der magnetischen Orientierung der beiden Schichten abhängt wie der elektrische Widerstand. Durch das Schalten der Magnetisierung lassen sich also die Thermospannung und letztendlich auch der thermische Strom durch die Probe kontrollieren.

Zukünftige Anwendungen dieses neuen Effekts ergeben sich beispielsweise in der Nutzung und gezielten Energieumwandlung von Abwärme in integrierten Schaltkreisen. Zudem ist die Entdeckung dieser sogenannten Tunnel-Magneto-Thermospannung ein Meilenstein im sich rapide entwickelnden Forschungsgebiet Spinkalorik, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft aktuell in einem großangelegten Schwerpunktprogramm über sechs Jahre fördert.

PTB / OD


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