Informationsverarbeitung Spinwellen als Elektronenersatz

Physikern der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern ist es nun erstmals gelungen, Informationen mittels Spinwellen in einem technischen Bauteil zu verarbeiten. Durch solche Techniken könnten Daten künftig schneller und effizienter verarbeitet und übertragen, herkömmliche Halbleiter-Techniken ersetzt werden.

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Technische Universität Kaiserslautern

Elektronen spielen eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, Informationen zu verarbeiten. Insgesamt werden Geräte jedoch immer kleiner und leistungsfähiger, sodass elektrischer Strom mit seiner hohen Abwärme hier an Grenzen stößt. Daher wird an Alternativen geforscht – etwa dem Einsatz von Spinwellen.

„Ein Spin beschreibt den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, etwa bei einem Elektron oder Proton“, sagt Doktorand Tobias Fischer, Erstautor der aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ veröffentlicht wurde. „Es bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene.“

Mehr Informationen, weniger Energie

Die Quantenteilchen der Spinwellen, die Magnonen, sind in der Lage mehr Informationen zu transportieren als Elektronen. Gleichzeitig können sie dabei deutlich weniger Energie verbrauchen und weniger Abwärme erzeugen. Dies macht Spinwellen für die Anwendung interessant.

Fischer hat nun erstmals untersucht, ob Spinwellen in einem sogenannten logischen Gatter verarbeitet werden können. Bisher verarbeiten solche Bauteile Informationen mittels elektrischem Strom. Sie kommen zum Beispiel in Computern in Form von Transistoren zum Einsatz. Die Signalkodierung bei einem solchen Logikgatter erfolgt über die Zustände „0“ und „1“.

Dreizack als Bauteil

Das Bauteil der Kaiserslauterer Physiker hat die Form eines Dreizacks und besteht aus dem Mineral Yttrium-Eisen-Granat, das magnetisch ist. „In die einzelnen Zacken werden Spinwellen eingespeist. Wichtig ist hierbei die Phase, also ob relativ zu einer Referenzzeit gerade ein Wellenberg oder ein Wellental anliegt“, erklärt Fischer das Prinzip.

In der Folge laufen die Wellen durch alle drei Zacken zum anderen Ende – ähnlich wie eine Zuschauer-Welle im Fußballstadion. Am Knotenpunkt des Dreizacks überlagern sich die Wellen schließlich. „Durch diese Interferenzen kommt es zu einer Verschiebung der Wellenberge und -täler“, sagt Dr. Andrii Chumak, Mitautor der Studie. „Diese Signale, die sogenannten Phasenverschiebungen, können wir auslesen.“ Fischers Kollegen hatten diese Wellen bereits zuvor in Simulationen untersucht. Der Doktorand konnte diese nun im Experiment nachweisen.

Alternative zu Halbleitern

Techniken wie diese könnten künftig das Verarbeiten von Informationen wesentlich schneller und effizienter gestalten, etwa als Alternative zu derzeitigen Halbleiter-basierten Techniken. „Im Gegensatz zu elektrischem Strom hätte man weniger Verluste durch Abwärme“, erklärt Fischer.

Fischer und Chumak forschen am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TU Kaiserslautern. Sie arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Spin+X – Spin in its collective environment“. Hier untersuchen Forscherteams aus Physik, Chemie, Maschinenbau und Verfahrenstechnik grundlegende magnetische Eigenschaften, Phänomene und Prozesse.

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