Kleines Oder-Gatter schaltet schnell und ohne Strom

Nur wenige Atome umfassend, bis zu 10.000 GHz schnell und fast ohne Leistungsaufnahme, so sollen die Spintronik-Bausteine künftiger Computer aussehen. Ein erster Schritt in diese Richtung ist Forschern an der Universität Hamburg gelungen. Die Spintronik nutzt nicht nur die Ladung der Elektronen, sondern auch deren "Spin", eine quantenmechanische Eigenschaft, die sich vereinfacht als Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse darstellen lässt. Diese Drehung erzeugt ein magnetisches Moment. So kann ein einzelnes Elektron stark vereinfacht als winzige Kompassnadel angesehen werden, die, je nachdem, in welche Richtung sich das Elektron dreht, nach Norden oder Süden zeigt.

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Bilder des Spintronik-Logikgatters, das mit der Nadel eines spinsensitiven Rastertunnelmikroskops ausgelesen wurde. Es handelt sich bei dem Bauteil um ein Oder-Gatter, d. h., zeigt der Spin von beiden Eingabe-Inseln nach unten (D), dann zeigt auch der Spin des Ausgabeatoms nach unten (blau). Zeigen die Spins einer oder beider Inseln nach oben (A-C), so wird auch der Spin des Ausgabeatoms nach oben ausgerichtet (rot). [Quelle: A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, Universität Hamburg]

Den Hamburger Physikern um Alexander Khajetoorians und Jens Wiebe aus der Forschergruppe von Roland Wiesendanger gelang es auf Basis dieser Technik, ein logisches Oder-Gatter umzusetzen: Sie trugen dazu Kobalt auf eine Kupferoberfläche auf, wobei dreieckige Inseln entstanden, die aus rund 100 Kobalt-Atomen bestehen. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops verbanden sie anschließend zwei der Kobalt-Inseln mit Ketten aus einzelnen Eisen-Atomen.

Diese beiden Kobalt-Inseln dienen als Eingabeeinheiten für die zu verarbeitenden magnetischen Informationen. In der Mitte des Spintronik-Bauteils, dort wo die beiden Ketten aufeinander treffen, liegt ein einzelnes Eisenatom, das als Ausgabeeinheit dient und in Abhängigkeit von der Eingabe über die Kobaltinseln logisch geschaltet wird. Der magnetische Zustand des Ausgabeatoms wird mit Hilfe der spinsensitiven Nadel des Rastertunnelmikroskops ausgelesen, die dafür mit einem magnetischen Material beschichtet wurde.

Da die Abstände zwischen den Eisenatomen und zu den Kobaltinseln fest sind, nehmen die Spins der Atome einen antiparallelen Zustand ein. Ändert man nun die magnetische Ausrichtung der beiden Eingabeinseln, dann richten sich die Spins der Eisenatome auch wieder antiparallel zu den Inseln aus. Das Ausgabeatom wird dabei logisch geschaltet.

Die Umschaltung geht dabei extrem schnell, innerhalb eines Zehnbillionstels einer Sekunde, wie die Hamburger Wissenschaftler schon in einer früheren Arbeit feststellen konnten. Das lasse extrem schnelle Schaltfrequenzen der Spintronik-Bauteile erwarten.

Die Forscher versprechen sich von ihrem Ansatz eine hohe Energieeffizienz, da für das Schalten der Spintronik-Bauteile kein elektrischer Strom benötigt wird. Da keine Ladung transportiert wird, sollte es auch keine thermischen Probleme geben, so dass Taktfrequenzen von bis zu 10.000 GHz vorstellbar seien, so die Forscher. Darüber hinaus sollten sich deutlich kleinere Bauteile herstellen lassen als mit der herkömmlichen Halbleitertechnologie.

Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Hamburger Forscher unter dem Titel "Realizing All-Spin Based Logic Operations Atom by Atom" im Fachmagazin Science.