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26.02.2019 | Mikroelektronik | Im Fokus | Onlineartikel

Naht Rettung für das Moore‘sche Gesetz?

Autor:
Dieter Beste

Forschern ist es gelungen, den Informationstransport in sehr kompakten Mikrochips mit Spinwellen zu realisieren. Deutet sich damit ein Weg an, die physikalischen Grenzen der Miniaturisierung elektronischer Bauteile im Nanometerbereich zu überwinden?


Der Computer-Pionier und Intel-Mitgründer Gordon Moore sagte 1965 voraus, dass sich binnen zehn Jahren die Zahl der Schaltkreise auf einem Computerchip jährlich verdoppeln würde. Tatsächlich ist auf diese Gesetzmäßigkeit – Moore’s law genannt – bis auf den heutigen Tag mehr oder weniger Verlass. Doch mittlerweile stößt dieser Miniaturisierungsprozess an eine physikalische Grenze, die Michael Springer, Kolumnist der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft, in "Lauter Überraschungen" so skizziert: Fortgeschrittene Schaltkreise seien heutzutage nur rund 14 Nanometer groß, und die Industrie hoffe, in den Größenbereich von 2 bis 3 Nanometern vorzustoßen zu können. "Dann würden die winzigsten Strukturen nur noch zehn Atome umfassen. Damit gerät die Siliziumtechnologie an ihre absolute Grenze. Spätestens an dieser Schranke kommen Quanteneffekte ins Spiel – genauer gesagt die heisenbergsche Unbestimmtheit des Elektronenverhaltens–, deren Zähmung bis auf Weiteres Zukunftsmusik bleibt." Und, fügt Michael Springer an: "Quantencomputer, die mit verschränkten Partikeln arbeiten, sind vorläufig im frühen Laborstadium, ebenso auch Chips, welchen die Elektronenspins als Datenträger dienen" (Seite 268).

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Tatsächlich bereiten die sehr feinen Leiterbahnen auf den Chips inzwischen erhebliche Probleme, sagt Sebastian Wintz vom Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR): "In den derzeitigen Mikroprozessoren fließen Elektronen. Aufgrund des elektrischen Widerstands heizen sie den Chip auf. Ab einem gewissen Punkt versagen die Chips einfach, da die Wärme nicht mehr abgeführt werden kann." Das verhindere auch eine weitere Geschwindigkeitssteigerung der Bauteile. Wintz hat deshalb zusammen mit anderen an einer vielversprechenden Alternative gearbeitet, trotz dieser Widrigkeiten den Informationstransport in kompakteren Mikrochips zu ermöglichen, und zwar mit den von Springer angesprochenen Elektronenspins. In einer internationalen Kooperation ist es den Forschern jetzt gelungen, Spinwellen, sogenannte Magnonen, mit extrem kurzen Wellenlängen zu erzeugen und sie gezielt zu lenken, wie sie in der Zeitschrift Nature Nanotechnology berichten.

Anstatt auf bewegte Ladungen setzen Wintz und seine Kollegen auf eine bestimmte Eigenschaft der Elektronen: den Spin. Die winzigen Teilchen verhalten sich so, als ob sie sich ständig um sich selbst drehen würden, was ein magnetisches Moment erzeugt. In bestimmten magnetischen Materialien, wie etwa in Eisen oder Nickel, sind die Spins für gewöhnlich parallel zueinander ausgerichtet. Wird nun aber die Orientierung der Spins an einem Ort geändert, setzt sich diese Störung über die benachbarten Teilchen fort. Eine Spinwelle wird ausgelöst, in der sich Informationen codieren und weitergeben lassen. "Die Elektronen bleiben in diesem Fall jedoch am Fleck", hebt Wintz hervor. "Es entsteht so kaum Wärme. Spin-basierte Bauteile könnten dadurch wesentlich weniger Energie benötigen."

Wie sich die Spinwelle bändigen lässt

Zwei grundlegende Schwierigkeiten haben die technische Nutzung von Spinwellen bislang verhindert: Die erzeugbaren Wellenlängen waren nicht kurz genug für die Nanometerstrukturen auf den Chips, und es fehlte an einer Möglichkeit, die Wellen gezielt zu steuern. Für beide Probleme konnten die Wissenschaftler um Sebastian Wintz nun eine Lösung finden. "Anders als bisher nutzen wir für die Anregung der Welle nicht eine künstlich hergestellte Antenne, sondern eine im Material natürlich geformte", erklärt Volker Sluka, Erstautor der Studie. "Dafür haben wir zwei dünne ferromagnetische Plättchen in scheibenähnliche Elemente strukturiert und mit einer Ruthenium-Trennschicht antiferromagnetisch gekoppelt. Daneben haben wir das Material der Plättchen so gewählt, dass sich die Spins bevorzugt entlang einer bestimmten Raumachse ausrichten, wodurch sich die gewünschte magnetische Struktur ergibt."

Innerhalb der beiden Schichten entstanden so Bereiche mit unterschiedlichen Magnetisierungen, die eine sogenannte Domänenwand voneinander trennt. Anschließend setzten die Wissenschaftler die Schichten magnetischen Wechselfeldern mit einer Anregungsfrequenz von einem Gigahertz oder mehr aus. Mit Hilfe eines Röntgen-Mikroskops des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, das am Helmholtz-Zentrum Berlin betrieben wird, konnten sie beobachten, dass sich Spinwellen mit parallelen Wellenfronten dabei senkrecht zur Domänenwand ausbreiten. "Bei früheren Versuchen war die Ausstrahlung mit einer Wasserwelle vergleichbar, die ein Steinwurf auslöst", berichtet Sluka. "Das ist nicht optimal, da die Ausbreitung in alle Richtungen die Schwingung schnell abschwächt. Jetzt sehen die Wellen dagegen so aus, um im gleichen Bild zu bleiben, als würde man einen langen Stab im Wasser hin und her bewegen."

Spinwellen können auch um die Kurve laufen

Wie den Röntgenaufnahmen zu entnehmen ist, können diese Spinwellen bei Wellenlängen von nur etwa 100 Nanometern mehrere Mikrometer zurücklegen, ohne signifikant an Signal zu verlieren – eine nötige Bedingung für den Einsatz in moderner Informationstechnologie. Einen möglichen Weg, diese neuartigen Informationsträger gezielt zu lenken, haben die Physiker darüber hinaus entdeckt, als sie die Anregungsfrequenz unter ein halbes Gigahertz setzten. Hier bleiben die Spinwellen in der Domänenwand gefangen: "Die Wellen können in diesem Fall sogar um die Kurve laufen", erzählt Volker Sluka und fügt an: "Trotzdem können wir die Signale immer noch detektieren."

Mit ihren Ergebnissen haben die Forscher somit wichtige Voraussetzungen für die weitere Entwicklung von Schaltkreisen auf Basis von Spinwellen geliefert. Hat Springer-Autor Michael Springer das Moore‘sche Gesetz möglicherweise verfrüht zu den Akten gelegt? Langfristig, mutmaßt Sebastian Wintz, könne ein komplett anderes Design von Mikroprozessoren möglich sein: "Wir können die Domänenwände mit Hilfe von Magnetfeldern relativ einfach verschieben. Das bedeutet, dass Chips, die mit Spinwellen arbeiten, nicht unbedingt eine im Vorhinein festgelegte Architektur bräuchten, sondern später verändert und an neue Herausforderungen angepasst werden könnten."

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