IBM-Forscher speichern Daten in Form von Elektronendrehungen

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Wissenschaftlern des Schweizer Forschungszentrums von IBM ist es gelungen, die “Spinhelix” beständig in einem Halbleiter abzubilden. Dies soll für noch kleinere Schaltungen sorgen und physikalische Grenzen bisheriger Chips überwinden.

IBM-Forscher in Zürich “konnten erstmalig das Auftreten einer beständigen Spinhelix in einem Halbleiter direkt abbilden, bei der Elektronenspins synchron rotieren”, beschreibt Big Blue seinen Technikdurchbruch. Genauer (vereinfacht) erklärt schafften es die Schweizer Daniel Düsentriebs, die Drehrichtung (den “Spin”) von Elektronen für längere Zeit beizubehalten – durch die Spinhelix habe man es geschafft, die Lebensdauer eines Spins um das 30-fache auf 1,1 Nanosekunden zu verlängern.

Die Spin-Modi verändern sich, wenn ein Elektron vorbeifließt. Forscher haben nun erstmals nachgewiesen, dass sich so ein Drehzustand 1,1 Nanosekunden halten lässt – schnell genug, um einen Prozessor mit der Information zu füttern (Quelle: IBM Research)

Dies entspreche der Taktrate eines 1-GHz-Prozessors – also der Zeit, die für einen Verarbeitungsschritt benötigt wird. Durch Optimierung dieses Spinhelix könne man in Zukunft den Elektronenfluss besser kontrollieren und damit noch kleinere Schaltungen realisieren als in bisherigen Chips – deren physikalische Grenzen eine Kontrolle des Elektronenflusses kaum noch erlauben.

Die Technik der “Spintronik”, die nicht die elektronische Ladung, sondern den magnetischen Eigendreh-Impuls der Elektronen verwendet, war bislang nur in Solaranlagen genutzt worden, wo eine dauerhafte Zustandssicherung nicht nötig ist. Durch den neuen Ansatz könne man die Zustände 0 und 1 der digitalen Informationsverarbeitung nun auch per Richtung des Spins darstellen: “Da spinbasierte Elektronik nicht auf dem Verschieben von Ladung basiert, sondern auf einer Änderung des Spinzustands, könnte die Spintronik weitaus energieeffizientere Computer und Speicher ermöglichen”, erklären die Forscher im Wissenschaftsmagazin Nature Physics. Die wissenschaftliche Arbeit von M. P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider und G. Salis mit dem Titel (“Direct mapping of the formation of a persistent spin helix” erschien in Nature Physics Online, DOI: 10.1038/NPHYS2383 (12. August 2012).

Diese Abbildung zeigt die gemessene räumliche und zeitliche Ausbreitung einer Spinhelix. Ausgehend von einer lokalisierten Anregung breiten sich die Spins im Raum aus und drehen sich dabei synchron. (Quelle. IBM Research)

Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse können die Forscher erstmals eine beständige Spinhelix generieren. IBM Physiker Dr. Gian Salis:”Normalerweise würden Spins alle unterschiedlich schnell rotieren und nach kurzer Zeit ihre Ausrichtung verlieren. Wir können nun die Drehgeschwindigkeit der Spins mit ihrer Bewegungsrichtung koppeln. Daraus resultiert eine perfekte Choreographie, in der alle Spins örtlich die exakt gleiche Ausrichtung aufweisen.” Dies sei ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von spinbasierten Transistoren, die elektrisch programmierbar sind – Transistoren sind das Grundelement aller Prozessoren.

Bis die Technik in Computer und Speicher einziehen kann, wird noch einige Zeit vergehen, schätzen die Schweizer. Derzeit sind einige der Experimente nur bei sehr niedrigen Temperaturen möglich– in der vorliegenden Arbeit etwa bei -233°C.

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