Elektronischer Baustein schaltet ohne Strom

Hamburger Physiker realisieren aus Kobalt- und Eisenatomen die bisher kleinste logische Schaltung

Aufbau des kleinsten Nano-Spintronik-Logikgatters der Welt
Aufbau des kleinsten Nano-Spintronik-Logikgatters der Welt

Hamburg - Der Kern des bis heute wohl kleinsten elektronischen Logik-Moduls besteht nur aus zwei winzigen Inseln aus je etwa 100 Kobaltatomen. Hamburger Physiker verknüpften diese Inseln mit einer Kette aus Eisenatomen und realisierten so eine logische "ODER"-Schaltung. Da beim Schaltprozess nur der magnetische Spin der Atome verändert wurde, war kein Strompuls wie bei klassischen Schaltkreisen nötig. Aufbauend auf diesem Spintronik-Bauteil, das die Forscher in der Zeitschrift "Science" präsentieren, könnten in Zukunft extrem schnelle und zugleich sparsame Prozessoren entwickelt werden.

Bisher lässt sich die "ODER"-Schaltung jedoch nur mit großem Aufwand schalten. Dazu nutzten Jens Wiebe und seine Kollegen vom Exzellenz-Cluster "Nano-Spintronics" an der Universität Hamburg die atomfeine Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Damit kontrollierten sie die magnetische Ausrichtung der Spins der Kobaltatome. Davon abhängig richteten sich die Spins der Eisenatom-Kette zwischen den Kobaltinseln schlagartig neu aus. Ein einzelnes Eisenatom in dieser Kette diente dabei als Ausgabe-Einheit. Dessen Spinausrichtung ließ sich so durch die Magnetisierung der Kobaltinseln schalten und mit der Mikroskopspitze wieder auslesen.

"Für das Schalten dieser Nano-Spintronik-Bauteile wird kein elektrischer Strom benötigt", berichtet die Hamburger Arbeitsgruppe. Prinzipiell seien daher Schaltkreise möglich, die weit weniger Strom benötigen als heute übliche Elektronik, bei der Elektronen die Schaltaufgaben übernehmen. Zudem wechseln die magnetischen Spins innerhalb einer zehnbillionstel Sekunde ihre Ausrichtung. So seien Taktfrequenzen von bis zu 10.000 Gigahertz vorstellbar.

Bis zu kommerziell verfügbaren Spintronik-Chips ist der Weg allerdings noch sehr weit. Doch dieses erste logische Schaltmodul zeigt, dass sich die aufwendige Entwicklung lohnen könnte und auch in Zukunft mit enormen Steigerungen bei der Leistungsfähigkeit in der digitalen Datenverarbeitung zu rechnen ist.