01.10.2021

Mit Magnonen ist zu rechnen

Nanostrukturierte antiferromagnetische Drähte zeigen besonders gute Eignung für logische Operationen.

Neuer Ansatz für IT-Technologien: Mit Hilfe von Spinwellen als Daten­träger könnten Computer, Smartphones und andere Geräte künftig effizienter und zuverlässiger rechnen. Zu diesem Schluss kommt ein Forschungs­team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Universität Lanzhou in China durch Simulationen eines neuen Ansatzes in strukturierten Materialien.

 

Abb.: Zeitliche Entwicklung von Magnon-Wellen (Bild: C. Jia et al. / Springer...
Abb.: Zeitliche Entwicklung von Magnon-Wellen (Bild: C. Jia et al. / Springer Nature)

Logische Operationen sind die Grundlage für alle Rechen­anwendungen auf Smartphones, Computern und Co. Dazu gehören Addition, Multiplikation und Subtraktion. „Ohne diese Operationen können wir gespeicherte Daten nicht sinnvoll verwenden“, erklärt Jamal Berakdar vom Institut für Physik der MLU. Bislang werden logische Operationen mit Hilfe von Ladungs­strömen realisiert. Allerdings hat diese Technologie einige Nachteile: „Bewegte Ladungen reagieren empfindlich auf externe elektrische oder magnetische Felder, zudem steigt der Energieverlust: Je kleiner die Geräte werden, desto stärker erwärmt sich das Material, sagt Berakdar.

Deshalb wird seit einigen Jahren an alternativen Ansätzen geforscht. Die Magnonik versucht, die Magnonen hierfür nutzbar zu machen. Dies sind Spinwellen, die sich in magnetischen Materialien erzeugen lassen. Sie entstehen durch die Schwingung der Magnetisierung und sind als Signale für die Daten­verarbeitung einsetzbar. Anders als bei Ladungsstrom-getriebenen logischen Operationen müssen in der Magnonik für die Informationsverarbeitung keine Elektronen wandern und der Energieverlust ist deshalb geringer.

„Bislang lag der Fokus der Forschung zu Magnonen und Spintronik im Allgemeinen auf konventionellen Ferromagneten“, sagt Berakdar. Das Team aus Deutschland und China fand jedoch heraus, dass sich nanostrukturierte antiferromagnetische Drähte für logische Operationen besonders gut eignen.

„Antiferromagneten unterscheiden sich wesentlich von Ferromagneten: Auf der mikroskopischen Ebene sind sie magnetisch geordnet, aber in einer Art und Weise, dass das Material insgesamt keine Magnetisierung aufweist. Deshalb reagieren Antiferro­magneten nur schwach auf elektrische oder Magnet­felder“, sagt Berakdar. Die Simulationen zeigen, dass in nano­strukturierten antiferromagnetischen Drähten spezielle Magnonen existieren, mit denen sich logische Operationen zuverlässig, schnell, parallel und energiesparsam realisieren lassen.

MLU / DE

 

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