Das kleinste „Oder“ der Welt


Wie die Forscher berichten, ist beim Schalten des realisierten logischen Oder-Gatters im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen kein Stromfluss nötig, da nur die magnetische Ausrichtung der Atome umgeschaltet wird. Dieser spektakuläre Durchbruch im Bereich der Nano-Spintronik zeigt auf, wie zukünftige Computerbausteine aussehen könnten: Atomar klein, bis zu 10.000 Gigahertz schnell und das fast ohne Stromverbrauch!

Jeder Besitzer eines mobilen Computers kennt das Problem: Den Geräten geht oft viel zu schnell die Puste aus, da der Akku wie von Zauberhand schon wieder leer ist. Schuld daran sind die hellen Displays und die herkömmliche Halbleiter-Elektronik, die zur Datenverarbeitung die elektrische Ladung nutzt. Da die Miniaturisierung von Halbleiter-Bauelementen bald an ihre Grenze stößt, wird schon lange nach einem neuen Konzept für Logik-Bauteile auf kleinstmöglicher Skala gesucht.

Ein Ansatz ist die Spintronik. In dieser Technologie wird nicht nur die Ladung der Elektronen genutzt, sondern auch deren „Spin“. Dieser Elektronen-Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft und kann vereinfacht als Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse verstanden werden. Diese Drehung erzeugt ein magnetisches Moment und daher kann man ein einzelnes Elektron stark vereinfacht als winzige Kompassnadel ansehen, die, je nachdem wie herum sich das Elektron dreht, nach Norden oder Süden zeigt.

Um das neuartige Nano-Spintronik-Bauteil zu verwirklichen, brachten die Hamburger Physiker um Doktor Alexander Khajetoorians und Doktor Jens Wiebe Kobalt auf eine Kupferoberfläche auf. Dabei entstanden dreieckige Inseln, die aus ca. 100 Kobalt-Atomen bestehen. Anschließend benutzten die Wissenschaftler die atomar scharfe Nadel eines sogenannten Rastertunnelmikroskops als Werkzeug, um zwei der Kobalt-Inseln mit Ketten aus einzelnen Eisen-Atomen zu verbinden. 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 aufeinandertreffen, 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 mithilfe 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. 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. Mit ihrer Arbeit konnten die Forscher weltweit erstmalig die Vorteile der Nano-Spintronik auf atomarer Skala experimentell demonstrieren:

- Höhere Energieeffizienz
- Schnellere und kleinere Bauteile
- Nichtflüchtiger Speicher


COMPAMED.de; Quelle: Sonderforschungsbereich 668