Abwärme als Spin-Motor

  • 28. October 2014

Neues Projekt zur Datenverarbeitung über spinkalorische Materialien.

Die Fakultät für Physik der Universität Bielefeld ist künftig an vier statt drei Projekten des Schwerpunktprogramms „Spin Caloric Transport“ (SpinCaT) der Deutschen Forschungsgemeinschaft beteiligt. Die Wissenschaftler der Universität Bielefeld arbeiten an den physikalischen Grundlagen, um magnetische Signale mit Wärme zu erzeugen. Langfristig könnten auf der Basis zum Beispiel energiesparende Computer entwickelt werden. 2011 startete das Schwerpunktprogramm SpinCaT, das jetzt in die zweite Förderungsphase geht.

Abb.: Timo Kuschel ist zuständig für eines der neuen Projekte im Schwerpunktprogramm „SpinCaT“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. (Bild: U. Bielefeld)

Abb.: Timo Kuschel ist zuständig für eines der neuen Projekte im Schwerpunktprogramm „SpinCaT“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. (Bild: U. Bielefeld)

Die SpinCaT-Forschung in Bielefeld wird mit insgesamt 800.000 Euro gefördert. Angesiedelt ist sie am „Center for Spinelectronic Materials and Devices“ (CSMD, Zentrum für Spinelektronische Materialien und Geräte). Denn auch wenn Elektronen ihre Position beibehalten, können sie ihren Spin an benachbarte Elektronen weitergeben. Neuerdings kann man den Transport dieser Elektronenspins gezielt mit Wärme auslösen. „Wärme fällt oft als Abfallprodukt an – zum Beispiel als Betriebsabwärme im Computer“, sagt Günter Reiss. „Wir wollen Verfahren entwickeln, die Wärme nutzen, um Elektronenspins gezielt zu steuern.“ Reiss leitet die Arbeitsgruppe „Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen“ im CSMD, die in vier von insgesamt rund dreißig Projekten des Schwerpunktprogramms „SpinCaT“ forscht.

Moderne Elektronik basiert auf Elektronentransport, der durch elektrische Spannung erzeugt wird. Die Bielefelder Physiker wollen aber den Elektronenspin verwenden und nicht den Transport der Elektronen selber, um neuartige Schaltungen zu bauen, die vielleicht sogar durch Wärme betrieben werden können. Da also kein elektrischer Strom für so einen „Spinstrom“ nötig ist, können diese magnetischen Signale auch in Material erzeugt und weitergegeben werden, das keinen oder nur wenig elektrischen Strom leiten kann. „So entsteht ein reiner Spinstrom, bei dem Elektronenspins ohne elektrischen Strom übermittelt werden können“, sagt Reiss. Die Physiker nutzen dafür magnetische Isolatoren. Zu ihnen gehören zum Beispiel ultradünne Schichten, die aus Nickelferrit oder Eisengranat bestehen.

Dieses Prinzip lässt sich verwenden, um beispielsweise Computerdaten zu übertragen. Um Computerdaten also per Elektronenspin zu übermitteln, wird eine Drehimpulsrichtung als „0“ festgelegt und die andere als „1“. Weil die Elektronen sich selber in isolierenden Materialien nicht fortbewegen, verbraucht die Übertragung von Daten auf diese Art weitaus weniger Energie als der herkömmliche Elektronentransport. „Computer, die mit solchen Spin-Schaltkreisen arbeiten würden, sparen also von vornherein Energie. Sie könnten zudem nicht benötigte Wärme nutzen, um den Spin-Transport zu steuern“, sagt Timo Kuschel. Der Physiker gehört zur Arbeitsgruppe von Günter Reiss und leitet mit dem Professor und seinen Bielefelder Kollegen Andy Thomas und Jan-Michael Schmalhorst Projekte im SpinCaT-Programm.

Die Wissenschaftler der Universität Bielefeld konzentrieren sich auf die Grundlagenforschung zur Erzeugung und Manipulation von Spinströmen mit Wärme. Dafür entwickeln sie extrem dünne Schichten, die sie als magnetische Isolatoren einsetzen. Diese Nanoschichten analysieren sie mit Synchrotrons. Auf Einladung der Fakultät für Physik diskutierten Anfang Oktober rund zwanzig Physiker aus vier Ländern auf einer Tagung in der Universität Bielefeld über ihre Messungen und Analysen zu thermisch generierten Spinströmen.

U. Bielefeld / DE

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