Rechnen mit Magnonen

Als der US-ameri­kanische Ingenieur Jack Kilby in den 1960er Jahren den inte­grierten Schaltkreis entwickelte, kam dies einer tech­nischen Revolution gleich: Zunächst nur in einem Taschen­rechner verbaut, ermöglichte die Technik kurze Zeit später den Sieges­zug der Computer, die von da an mit immer kleineren Prozes­soren auskamen. An einer neuen Generation von Schalt­kreisen arbeiten nun Physiker um Andrii Chumak von der Tech­nischen Univer­sität Kaisers­lautern. Sie nutzen dabei Spinwellen. „Diese können Information in Form des Eigendreh­impulses in magne­tischen Materialien trans­portieren“, sagt Chumak. „Die Quanten­teilchen solcher Wellen sind Magnonen.“ Im Vergleich zu Elektronen können sie wesentlich mehr Infor­mationen trans­portieren, verbrauchen dabei viel weniger Energie und erzeugen weniger Abwärme. Dies macht sie beispiels­weise für schnellere und leistungs­fähigere Rechner interes­sant.

In der nun erschie­nenen Studie beschreiben die Wissen­schaftler erstmals einen inte­grierten magno­nischen Schaltkreis, in welchem Informa­tionen mittels dieser Teilchen übertragen werden. Wie auch bei gängigen elek­tronischen Schalt­kreisen sind hierbei Leiter und Leitungs­kreuzungen notwendig, um die einzelnen Schalt­elemente zu verbinden. In ihrer Simu­lation ist es den Forschern nun gelungen, eine solche Kreuzung für Magnonen zu entwickeln. „Dazu haben wir in unsere Berech­nungen ein Phänomen mit einbe­zogen, das in der Physik schon bekannt ist und in der Magnonik erstmals zum Einsatz kommt“, sagt Doktorand Qi Wang. „Wenn zwei Magnonen­leiter äußerst eng neben­einander liegen, reden die Wellen gewisser­maßen mit­einander, das heißt, die Energie der Wellen wird vom einen Leiter auf den anderen übertragen.“ In der Optik findet dies schon länger Verwendung, zum Beispiel um Infor­mationen zwischen Lichtwellen­leitern zu über­tragen.

Dies macht sich auch das Nano-Magnonik-Team zunutze, um Schalt­elemente auf einem magno­nischen Chip in einer neuen Art und Weise zu verdrahten. Das Besondere hierbei: Sie kommen bei den Leitungs­kreuzungen ohne eine dreidi­mensionale Brücken­konstruktion aus. Bei klassischen Schalt­kreisen ist dies notwendig, um den Elektronen­fluss zwischen mehreren Elementen zu gewähr­leisten. „Bei unserem Schaltkreis nutzen wir eine zwei­dimensionale flache Verdrahtung, bei der die Magnonen­leiter nur dicht neben­einander liegen müssen“, sagt Wang.

Mithilfe des Modells möchten die Forscher nun einen ersten magno­nischen Schalt­kreis bauen. Für die künftige Produktion von Computer-Bauteilen ließe sich beispiels­weise mit diesen neuar­tigen Schalt­kreisen Material und dadurch auch Kosten einsparen. Darüber hinaus liegt die Größe der simu­lierten Bauteile im Nanometer­bereich, was mit modernen elek­tronischen Bauteilen vergleichbar ist. Allerdings ist die Informations­dichte bei Magnonen um ein Viel­faches größer.

TU Kaiserslautern / JOL