Forschung

Supercomputer ohne Abwärme

14.12.2018 - Parallel orientierte Elektronenpaare könnten Infor­ma­tions­über­tra­gung per Supra­leiter er­mög­lichen.

Konventionell betrachtet sind Magnetismus und Supraleitung konkur­rie­rende Phäno­mene, die nicht zusammen in einem Material auf­treten können. Die Kombi­na­tion der beiden Zustände wäre jedoch prinzi­piell eine viel­ver­spre­chende Möglich­keit, um die wegen ihrer hohen Wärme­ent­wick­lung und ent­sprechen­dem Energie­ver­brauch unter Druck geratene Halb­leiter­techno­logie beim Bau von Super­computern abzu­lösen. Forscher der Uni Konstanz haben nun direkt nach­ge­wiesen, dass die elek­trische Über­tragung magne­tischer Infor­ma­tion ohne die Erzeu­gung von Abwärme möglich sein könnte. Dadurch wäre es wiederum möglich, die Dichte der elek­tro­nischen Bau­ele­mente zur Infor­ma­tions­ver­arbei­tung auf dem Chip weiter zu erhöhen und gleich­zeitig den Energie­ver­brauch von Rechen­zentren stark zu ver­ringern.

Die Wissenschaftler nutzen einen Ansatz, der darin besteht, supra­leitende Elemente zu ver­wenden, bei denen elek­trische Ladungen ohne Wärme­erzeu­gung fließen können. Zur Infor­ma­tions­speiche­rung werden hin­gegen vor­wiegend magne­tische Materi­alien genutzt. Magne­tische Infor­ma­tion kann im Prinzip auch verlust­frei über­tragen werden, indem man die magne­tischen Eigen­schaften der Elek­tronen, den Elek­tronen­spin, aus­nutzt. Durch die Kombi­nation dieser beiden Eigen­schaften – also der Supra­leitung mit der Spin­tronik – erhofft man sich grund­sätz­lich neue Funktio­nali­täten für eine zukünf­tige energie­effi­ziente Infor­ma­tions­technik. Das grund­legende Problem dieses Ansatzes besteht darin, dass in konven­tio­nellen Supra­leitern der supra­leitende Zustand durch Elek­tronen­paare getragen wird, deren magne­tische Momente ent­gegen­gesetzt orien­tiert und die somit insge­samt unmag­ne­tisch sind und deshalb keine magne­tische Infor­ma­tion über­tragen können. Der magne­tische Zustand ist hingegen dadurch gekenn­zeichnet, dass die magne­tischen Momente gleich aus­ge­richtet sind, was den supra­leitenden Ladungs­trans­port unter­drückt.

„Dass Supraleitung, die ohne Wärmeentwicklung funktio­niert, und Spin­tronik, die magne­tische Infor­ma­tionen über­trägt, nicht mit­ein­ander verein­bar sind, wider­spricht nicht grund­legenden physi­ka­lischen Prinzi­pien, sondern nur naiven Annahmen zur Natur der Materie“, sagt Elke Scheer von der Uni Konstanz. Vor kurzem wurden Hinweise darauf gefunden, dass in Kombi­na­tionen von Supra­leitern mit bestimmten magne­tischen Materi­alien Elek­tronen mit gleichem Spin im Supra­leiter anein­ander­ge­bunden werden und damit Supra­ströme über große Distanzen trans­por­tiert werden können. Dies könnte völlig neu­artige, revo­lu­tio­näre elek­tro­nische Bau­ele­mente ermög­lichen.

Unter der Leitung von Scheer und in Zusammenarbeit mit Wolfgang Belzig wurde ein Experi­ment reali­siert, das den Erzeu­gungs­mecha­nismus dieser Elek­tronen­paare mit paral­leler Spin­aus­rich­tung auf­klärt. Die Forscher konnten zeigen, dass es möglich ist, solche parallel orien­tierten Elek­tronen­paare zu erzeugen und nach­zu­weisen. „Es gilt, Materi­alien zu finden, die solche parallel orien­tierten Elek­tronen­paare möglich machen. Inso­fern ist dies auch eine material­wissen­schaft­liche Frage­stel­lung“, so Scheer. Fach­kollegen des Karls­ruher Instituts für Techno­logie gelang es, maß­ge­schnei­derte Aluminium-Europium­sulfid-Proben her­zu­stellen. Bei Aluminium handelt es sich um einen sehr gut ver­stan­denen Supra­leiter, was eine wich­tige Voraus­setzung für einen quanti­ta­tiven Ver­gleich mit der Theorie dar­stellt. Europium­sulfid ist ein magne­tischer Iso­lator, eben­falls eine bedeu­tende Eigen­schaft zur Um­setzung des theore­tischen Konzepts, und zudem behält es auch in nur wenigen Nano­meter dünnen Schichten, wie sie hier ver­wendet werden, seine magne­tischen Eigen­schaften bei. Mit einem Raster­tunnel­mikro­skop wurden räum­lich und energe­tisch hoch­auf­lösende Messungen des Ladungs­trans­ports der Aluminium-Europium­sulfid-Proben bei tiefen Tempe­ra­turen durch­ge­führt. Das Raster­tunnel­mikro­skop der Arbeits­gruppe Scheer wurde im Gegen­satz zu kommer­ziellen Systemen darauf opti­miert, vor allem höchste Energie­auf­lösung zu liefern und dabei in ver­änder­lichen äußerem Magnet­feldern einsatz­fähig zu sein.

Die Spannungsabhängigkeit des Ladungs­trans­ports der Proben liefert die Energie­ver­tei­lung der supra­lei­tenden magne­tischen Elek­tronen­paare und lässt damit präzise Aus­sagen über die genaue Zusammen­setzung des supra­leitenden Zustands zu. Dazu wurde eine maß­ge­schnei­derte Theorie für die Grenz­fläche zwischen Aluminium und Europium­sulfid ange­wendet, die kurz zuvor neu ent­wickelt worden war und die es auch erlaubt, in Zukunft noch kom­lexere Proben­zusammen­setzungen zu beschreiben. Die durch die Theorie vorher­ge­sagten Energie­spektren sind im Ein­klang mit dem Experi­ment und bilden damit einen direkten Nach­weis der magne­tischen Elek­tronen­paare. Darüber hinaus konnten die Forscher bislang bestehende Wider­sprüche hin­sicht­lich der Inter­preta­tion solcher Spektren geklärt werden. Mit diesen Ergeb­nissen hoffen die Wissen­schaftler, das große Poten­zial supral­eitender Spin­tronik als poten­zielle Nach­folge­techno­logie für die Halb­leiter­technik aufzu­zeigen.

U. Konstanz / RK

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