11.03.2022

Höhere Frequenzen mit Magneten

Frequenzquellen für die Spin-Elektronik im Gigahertz-Bereich möglich.

Eine neue Entdeckung von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg könnte bestimmte Bauteile in Computern und Smartphones überflüssig machen. Dem Team ist es in einem gängigen magne­tischen Material gelungen, Frequenzen ohne zusätzliche Bauteile direkt in höhere Bereiche umzuwandeln. Der Prozess der Frequenz­vervielfachung ist von grund­legender Bedeutung in der modernen Elektronik. 

Abb.: Georg Woltersdorf (l.) und Chris Körner im Labor wandelten mit einem...
Abb.: Georg Woltersdorf (l.) und Chris Körner im Labor wandelten mit einem magne­tischen Material Frequenzen ohne zusätz­liche Bauteile direkt in höhere Bereiche um. (Bild: M. Scholz, U. Halle)

Digitale Technologien und Geräte sind bereits heute für etwa zehn Prozent des weltweiten Strom­verbrauchs verantwortlich, Tendenz stark steigend. „Es ist daher notwendig, effizientere Bauelemente für die Informations­verarbeitung zu entwickeln“, sagt Physiker Georg Woltersdorf. Typischerweise werden die für den Betrieb der Geräte notwendigen Signale im Gigahertz-Frequenz­bereich durch nicht-lineare elektronische Schaltungen erzeugt. Das Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, wie das auch ohne elektronische Bauelemente innerhalb eines magnetischen Materials möglich ist. Die Magnetisierung wird dabei durch eine Quelle im nieder­frequenten Megahertz-Bereich angeregt. Diese Quelle generiert durch den neu entdeckten Effekt gezielt mehrere Frequenz­komponenten, die jeweils einem Vielfachen der Anregungs­frequenz entsprechen. Diese umfassen einen Bereich von sechs Oktaven und erreichen bis zu mehrere Gigahertz. „Das ist in etwa so, als ob man bei einem Klavier den tiefsten Ton auf der Tastatur anschlägt und dabei zusätzlich auch die entsprechenden harmo­nischen Töne der höheren Oktaven erklingen“, so Woltersdorf.

Erklärt wird der über­raschende Effekt der Frequenz­multiplikation durch synchronisierte Schalt­vorgänge der dynamischen Magneti­sierung auf der Mikrometer­skala. „Verschiedene Bereiche schalten dabei nicht gleichzeitig, sondern werden durch benachbarte Bereiche angestoßen, ähnlich wie beim Domino ein Stein den anderen umstößt“, erklärt Chris Körner vom Institut für Physik. Die Entdeckung könnte dabei helfen, digitale Techno­logien in Zukunft energieeffizienter zu machen. Sie ist auch für neue Anwendungen von Interesse.

Aktuelle Mikro­elektronik nutzt die Ladung der Elektronen als Informations­träger. Ein großer Nachteil dieser Methode ist, dass das Verschieben von elektrischer Ladung Wärme freisetzt und viel Energie benötigt. Ein vielver­sprechender Ausweg könnte die Spin-Elektronik sein. Diese nutzt zusätzlich zur Ladung des Elektrons auch dessen magnetisches Moment und erlaubt prinzipiell eine deutliche Verbesserung der Energie­effizienz. Der neu entdeckte Effekt könnte platz­sparende und effiziente Frequenz­quellen für die Spin-Elektronik im Gigahertz-Bereich ermöglichen.

MLU / JOL

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