Datentransfer via Rost

Die Informations­übertragung basiert derzeit auf einer einzigen Material­klasse wie bereits in den Anfängen der Informatik vor etwa sechzig Jahren. Eine neue magnetische Material­klasse dagegen könnte die Informationstechnologien auf eine andere Stufe heben: Antiferromagnetische Isolatoren ermöglichen Rechen­geschwindigkeiten, die tausendfach schneller sind als bei herkömm­licher Elektronik. Dabei entwickeln sie zusätzlich deutlich weniger Hitze. Die Bauelemente könnten daher auch enger zusammengepackt und die Logik­bausteine somit kleiner werden. Bislang sind der Minia­turisierung durch die starke Hitzeentwicklung Grenzen gesetzt.

Bislang haperte es allerdings daran, dass die Informations­übertragung in den antiferro­magnetischen Isolatoren nur bei niedrigen Temperaturen funktionierte. Und niemand möchte sein Smartphone in die Tiefkühl­truhe verfrachten müssen, um es nutzen zu können. Dieses Manko konnten Physiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz nun beseitigen, gemeinsam mit Experimentatoren des CNRS/Thales-Labors, dem CEA Grenoble und des Nationalen Hochfeld­labors in Frankreich sowie Theoretikern des Zentrums für Quanten­spintronik (QuSpin) der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie. „Wir konnten Informationen in einem üblichen antiferro­magnetischen Isolator bei Raum­temperatur übertragen und verarbeiten – und das auch über ausreichend lange Strecken, um Informations­verarbeitung zu ermöglichen“, sagt Andrew Ross. Als antiferro­magnetischen Isolator nutzten die Forscher Eisenoxid (α-Fe₂O₃), also den Haupt­bestandteil von Rost. Denn Eisenoxid ist weit verbreitet und einfach herzustellen.

Möglich wird die Informations­übertragung in den neuen Materialien durch Anregungen magnetischer Ordnung, die als Magnonen bekannt sind. Diese bewegen sich als Wellen durch magne­tische Materialien. Bisher nahm man an, dass diese Wellen eine kreisförmige Polari­sation haben müssen, damit sie Informationen effizient übertragen können. In Eisenoxid kommt eine solche zirkulare Polari­sation jedoch nur bei niedrigen Temperaturen vor. Das inter­nationale Forscherteam konnte Magnonen jedoch auch bei Raumtemperatur über außergewöhnlich große Entfernungen übertragen. Wie konnte das gelingen? „In Antiferro­magneten mit einfacher Ebene können sich zwei Magnonen mit linearer Polari­sation überlagern und gemeinsam wandern – sie ergänzen sich zu einer annähernd zirkularen Polari­sation", erläutert Romain Lebrun, Forscher am CNRS/Thales-Labor in Paris und früherer Mitarbeiter in Mainz. „Die Möglichkeit, Rost auch bei Raumtemperatur verwenden zu können, macht ihn zu einem idealen Spielplatz für die Entwicklung ultra­schneller spintronischer Geräte auf der Basis antiferro­magnetischer Isolatoren.“

Eine wichtige Frage bei der Informations­übertragung: Wie schnell gehen die Informationen verloren, wenn sie sich durch magnetische Materialien bewegen? Quantitativ erfassen lässt sich dies mit dem Wert der magnetischen Dämpfung. „Das untersuchte Eisenoxid weist eine der niedrigsten magne­tischen Dämpfungen auf, über die jemals in magnetischen Materialien berichtet wurde", sagt der Mainzer Forscher Mathias Kläui. „Wir gehen davon aus, dass Techniken mit hohem Magnetfeld zeigen werden, dass andere antiferro­magnetische Materialien eine ähnlich niedrige Dämpfung aufweisen, was für die Entwicklung einer neuen Generation von spin­tronischen Geräten von entscheidender Bedeutung ist. Solche energie­sparenden Ansätze werden von uns in einer lang­fristigen Zusammen­arbeit mit QuSpin in Norwegen verfolgt und ich freue mich, dass eine weitere spannend Arbeit aus dieser Kollaboration hervorgegangen ist.“

JGU Mainz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Lebrun et al.: Long-distance spin-transport across the Morin phase transition up to room temperature in ultra-low damping single crystals of the antiferromagnet α-Fe₂O₃, Nat. Commun. 11, 6332 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-20155-7
• Kläui-Lab, Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz