Mit Licht Spinwellen schalten

Trotz aller technischen Entwicklungsfortschritte stoßen irgendwann die heutigen Computer an ihre Grenzen, was Größe und Schnelligkeit betrifft. Ihre Bau­elemente lassen sich bald nicht mehr weiter verkleinern, ihr Energie­verbrauch und damit ihre Erwärmung wird zu hoch. Um diese Probleme zu lösen, wollen die Entwickler in künftigen Computern nicht mehr wie heute ausschließlich Elektronen verwenden, die hin- und her fließen, um damit zu rechnen und Daten zu speichern, sondern auch nicht-materielle Phänomene, etwa optische oder magnetische Erscheinungen, einbeziehen. In den Labors der Grundlagen­forscher, etwa am Landes­forschungs­zentrum Optimas in Kaisers­lautern, arbeiten die Forscher intensiv daran, die Bauelemente dafür zu entwickeln.

„Im Fokus unserer Forschung stehen Spinwellen und Magnonen“, sagt Burkard Hillebrands, Professor an der TU Kaiserslautern und Mitglied von Optimas. „Dabei handelt es sich um magnetische Phänomene, die durch den Spin verursacht werden. Mit ihnen beschäftigt sich ein junges Forschungs­gebiet, die Magnon-Spintronik.“ Das rasch wachsende Gebiet befasst sich mit der Erzeugung, Manipulation und Messung von Spinwellen und Magnonen. Bei Spinwellen handelt es sich um eine Auslenkung des Spins einzelner Teilchen in einem magnetischen Ordnungszustand, die sich ähnlich wie Schallwellen durch den Festkörper fortpflanzt. Wie bei allen Wellen kann man auch den Spinwellen formal ein Quantenteilchen zuordnen, das Magnon.

Ein großer Erfolg gelang nun einem Wissenschaftlerteam rund um die TU-Professoren Burkard Hillebrands und Georg von Freymann. Sie konnten erstmals magnetische Strukturen eines magnonischen Kristalls durch den Einsatz von Licht verändern. Bisher wurden diese fest in das Material eingeätzt und lagen damit ein für alle Mal fest. Mit der neuen Technik können sie aber je nach Bedarf durch Bestrahlen mit Laserlicht geändert werden. Da die Strukturen nach Beendigung der Laserbestrahlung wieder vollständig verschwinden, öffnet das Verfahren den Weg für schaltbare Leitungen, flexible Filter oder auch logische Gatter.

Für ihren magnonischen Kristall benutzten die Forscher eine dünne Schicht aus Yttrium-Eisen-Granat auf einem Substrat aus Gadolinium-Gallium-Granat. Sie bestrahlten diese mit streifen­förmigen Hologrammen, die sie mit Laserlicht erzeugten. „An den bestrahlten Stellen erwärmt sich das Material und verändert blitzschnell die magnetische Landschaft in der Schicht“, erklärt Optik­spezialist von Freymann. „Auf diese Weise könnte man später in dem Bauelement eines Computers die Spinwellen manipulieren. Der große Vorteil dabei ist, dass wir so beliebige Strukturen erzeugen können, zwischen denen man umschalten kann.“

Die magnonen-basierte Datenverarbeitung hätte große Vorteile: Sie erzeugt keine Wärme, und es sind wesentlich weniger Bauelemente pro Rechen­operation nötig als beim herkömmlichen Rechnen mit Elektronen in Halbleitern. Sie lässt sich zudem kombinieren mit elektronischen Teilen des Computers; für diesen Übergang zwischen Elektronik und Magnonik und zurück entwickeln die Forscher gerade die nötigen Bauelemente.

Das neue Verfahren ist ein wichtiger Entwicklungsschritt zu den bereits vorgestellten magnonischen Transistoren. Auf der CeBIT 2015 hatten die Kaisers­lauterner Forscher kürzlich dieses zentrale Bauelement präsentiert. Ihr nächstes Ziel ist es, weitere Bauelemente für die Daten­verarbeitung zu entwickeln und sie zu miniatu­risieren. Denn „so wie einst der erste elektro­nische Transistor noch zentimetergroß war und heute nur noch Nanometer einnimmt, werden auch magnonische Bau­elemente immer kleiner werden“, prophezeit Hillebrands.

TU KL / OD