08.03.2019

Ein Thermofühler für magnetische Bits

Neues Konzept für eine energieeffiziente Datenverarbeitung.

Wissenschaftlern vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg ist es gelungen, den Magnetismus von Atomen auf einer Oberfläche nur mit Hilfe von Wärme auszulesen. Hierfür wurde eine magnetische Nadel mit einem Laserstrahl erhitzt und bis auf einen Abstand von wenigen Atomen an eine magnetische Oberfläche herangeführt. Der Temperaturunterschied zwischen der Nadel und der Oberfläche erzeugt dann eine elektrische Spannung. Die Forscher führten die Nadel Atom für Atom über die Oberfläche und konnten im Experiment zeigen, dass diese Thermospannung abhängig ist von der magnetischen Ausrichtung des Atoms, das sich gerade unter der Nadel befindet.

Abb.: Die Spitze des Rastertunnel­mikroskops wird mit einem Laserstrahl...
Abb.: Die Spitze des Rastertunnel­mikroskops wird mit einem Laserstrahl erwärmt. Durch den Temperatur­unterschied entsteht eine elektrische Spannung entsprechend der magne­tischen Ausrichtung der Oberflächen­atome. (Bild: Krause, UHH)

„Mit diesem Konzept haben wir berührungslos den Oberflächen­magnetismus atomgenau ausgemessen“, sagt Cody Friesen. Üblicherweise werden hierfür Techniken verwendet, die auf den Fluss eines elektrischen Stroms basieren und daher unerwünschte Aufheiz­effekte verursachen – ähnlich wie bei einem Tauchsieder. Der Ansatz aus Hamburg kommt hingegen ohne Stromfluss aus. Für zukünftige Anwendungen bedeutet dies, dass magnetische Miniatur­sensoren in hoch­integrierten Schaltkreisen keine Stromversorgung mehr benötigen und keine Abwärme produzieren.

Stattdessen wird die Prozesswärme, die innerhalb eines Bauteils anfällt, gezielt zum Sensor geleitet, der dann als eine Art Thermo­fühler die magnetische Orientierung eines Atoms ausliest und in digitale Informationen verwandelt. „Unsere Unter­suchungen zeigen, dass die in integrierten Schaltkreisen generierte Prozesswärme für eine sehr energieeffiziente Daten­verarbeitung genutzt werden kann“, sagt Stefan Krause, der das Forschungs­projekt in der Arbeitsgruppe um Roland Wiesendanger leitet.

Unser Zeitalter ist geprägt von der weltweiten Speicherung und Verarbeitung riesiger Datenmengen. Hohe Datendichten und Verarbeitungs­geschwindig­keiten verlangen nach einer fortwährenden Verkleinerung der Bauelemente, mit in der Folge immer höheren Stromdichten und damit starken Aufheizeffekten in den Bauteilen. Mit der neuen Technik aus Hamburg könnte die Informations­technologie energieeffizienter und damit umweltschonender gestaltet werden.

Neben wichtigen ökologischen Aspekten hätte dies auch ganz unmittelbare Auswirkungen auf den persönlichen Alltag von jedem von uns: Die allgegen­wärtigen Smartphones und Tablets müssten viel seltener an die Steckdose, da sich ihre Akku-Laufzeiten um ein Vielfaches verlängern würden.

UHH / JOL

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