Die derzeit geläufigen rein elektrischen Speicherchips haben einen entscheidenden Nachteil: „Diese Speicher sind flüchtig, so dass ihr Zustand permanent erneuert werden muss“, erläutert Tobias Kosub, Postdoc am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Und das verbraucht relativ viel Energie.“ Die Folgen bekommen unter anderem große Rechenzentren zu spüren: Zum einen wachsen ihre Stromrechnungen mit steigender Leistung. Zum anderen heizen sich die Chips aufgrund ihres Energieverbrauchs immer stärker auf. Den Datenzentren fällt es immer schwerer, diese Hitze abzuführen – so dass manche Cloud-Betreiber sogar dazu übergehen, ihre Rechnerfarmen in kalten Regionen zu errichten.
Abb.: Der neuartige Speicherchip besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen dient. (Bild: T. Kosub, HZDR)
Es gibt eine Alternative zu den elektrischen Speicherchips: MRAMs speichern ihre Daten magnetisch, sie müssen also nicht ständig aufgefrischt werden. Es braucht jedoch relativ große Ströme, um die Daten in die Speicher zu schreiben. Das aber mindert die Zuverlässigkeit: „Kommt es beim Schreib- oder Leseprozess zu Störungen, drohen sie vorschnell zu verschleißen und kaputtzugehen“, sagt Kosub.
Deshalb tüftelt die Fachwelt schon länger an MRAM-Alternativen. Besonders aussichtsreich erscheint eine Materialklasse namens magnetoelektrische Antiferromagnete. Statt durch Strom werden sie durch eine elektrische Spannung aktiviert. Das Problem: „Diese Materialien las-sen sich nicht ohne weiteres ansteuern“, erklärt HZDR-Gruppenleiter Denys Makarov. „Es ist schwierig, sie mit Daten zu beschreiben und wieder auszulesen.“ Bisher nahmen Forscher an, dass man diese magnetoelektrischen Antiferromagneten nur indirekt über Ferromagneten auslesen kann, was jedoch viele der Vorteile zunichte macht. Das Ziel ist es also, einen rein antiferromagnetischen magnetoelektrischen Speicher (AF-MERAM) zu erzeugen.
Genau das ist den Forscherteams aus Dresden und Basel nun gelungen. Sie entwickelten einen AF-MERAM-Prototypen auf der Basis einer hauchdünnen Schicht aus Chromoxid. Diese ist – wie die Füllung eines Sandwiches – zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Legt man an diese eine Spannung an, „kippt“ das Chromoxid in einen anderen magnetischen Zustand – das Bit ist geschrieben. Der Clou: Es genügt eine Spannung von wenigen Volt. „Gegenüber anderen Konzepten konnten wir die Spannung um den Faktor 50 reduzieren“, sagt Kosub. „Dadurch können wir ein Bit schreiben, ohne dass das Bauteil viel Energie verbraucht und sich aufheizt.“ Eine besondere Herausforderung lag darin, das eingeschriebene Bit wieder auslesen zu können.
Dazu brachten die Physiker eine nanometerfeine Platinschicht auf dem Chromoxid an. Das Platin ermöglicht das Auslesen über den anomalen Hall-Effekt. Das eigentliche Signal ist zwar sehr klein und durch Störsignale überlagert. „Doch wir konnten eine Methode entwickeln, die das Gewitter der Störsignale unterdrückt und es erlaubt, an das Nutzsignal heranzukommen“, beschreibt Makarov. „Das war der eigentliche Durchbruch.“ Die Ergebnisse sehen sehr vielversprechend aus, wie Oliver G. Schmidt vom beteiligten Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) einschätzt: „Es wird spannend sein, zu verfolgen, wie sich dieser neue Ansatz im Verhältnis zur etablierten Silizium-Technologie in Zukunft positionieren wird.“ Nun sind die Forscher dabei, das Konzept weiterzuentwickeln.
„Bislang funktioniert das Material zwar bei Raumtemperatur, aber nur in einem kleinen Fenster“, erläutert Kosub. „Indem wir das Chromoxid gezielt verändern, wollen wir den Bereich deutlich erweitern.“ Einen wichtigen Beitrag dazu liefern die Kollegen des Swiss Nanoscience Institute und der Abteilung Physik an der Universität Basel. Sie haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich die magnetischen Eigenschaften des Chromoxids zum ersten Mal auf der Nanoskala abbilden lassen. Ferner wollen die Experten mehrere Speicherelemente auf einem Chip integrieren. Bislang wurde nur ein einzelnes Element realisiert, mit dem sich lediglich ein Bit speichern lässt. Der nächste Schritt – und ein wichtiger zu einer möglichen Anwendung – ist es, ein Array aus mehreren Elementen zu konstruieren. „Im Prinzip ließen sich solche Speicherchips mit den üblichen Verfahren der Computerhersteller fertigen“, sagt Makarov. „Nicht zuletzt deshalb zeigt die Industrie großes Interesse an solchen Bauteilen.“
HZDR / DE
