Rechnen mit einzelnen Atomen und Elektronen

Bochum/Dortmund - In Computerchips der Zukunft könnten nicht elektrische Ladungen, sondern Drehungen – so genannte Spins - von Elektronen die digitalen Rechenaufgaben übernehmen. Deutschen und russischen Wissenschaftlern gelang nun ein großer Fortschritt auf diesem Forschungsfeld der Spintronik. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie mit einem winzigen Quantenpunkt den sonst allzu flüchtigen Elektronenspin für einige zehn Minuten speichern. Damit ist eine wichtige Grundlage für den Aufbau von logischen Schaltungen mit Quantenpunkten und Elektronenspins gelegt.

Nur wenige Millionstel Millimeter messen die Quantenpunkte aus den Halbleitermaterialien Galliumarsenid und Galliumindiumarsenid, mit denen die Physiker der Universitäten Dortmund und Bochum experimentieren. "Diese Quantenpunkte haben etwa die Form eines „Hamburger-Oberteiles“, nur sind sie drei Millionen mal kleiner und es würden rund fünf Milliarden mal fünf Milliarden Quantenpunkte in eine echte Brötchenhälfte hineinpassen“, sagt Andreas Wieck vom Bochumer Institut für Festkörperphysik. Jeder Quantenpunkt kann mit einem überzähligen Elektron einfach elektrisch geladen werden.

Doch um den Spin wie die elektrische Ladung für die Informationstechnologie zu nutzen, muss er gut kontrollierbar und möglichst langlebig sein. Das erreichten die Forscher mit einem kurzen Laserpuls, um den Elektronenspin gezielt auszurichten. Dadurch baute sich ein Magnetfeld auf, das sich auch auf die umgebenden Atomkerne im Quantenpunkt auswirkt. Diese Atomkerne sind dann „spin-polarisiert“ und halten ihre Polarisation – im Gegensatz zu den vergesslicheren Elektronen – einige zehn Minuten. Diese Zeit reicht im Prinzip vollkommen, um in aller Ruhe logische Operationen wie Rechenschritte oder in Computern übliche Programme durchzuführen.

„Ein wenig ähnelt dieses Verfahren der Kernspintomographie, bei der durch ein starkes Magnetfeld die Spins der Atomkerne in den Körperzellen gleich ausgerichtet werden, nur, dass hier nicht der menschliche Körper, sondern nanoskopische Quantenpunkte vermessen werden“, so Wieck. Bis dieses Prinzip der gespeicherten Elektronspins jedoch für spintronischen Rechenchips angewendet wird, werden noch einige Jahre vergehen. Sollte dies jedoch gelingen, locken Prozessoren mit einem Vielfachen der Leistungsfähigkeit heutiger Elektronik-Chips.