Schneller rechnen mit Diamanten

Für rasante Spintronik-Prozessoren der Zukunft finden Forscher erstaunlich schnelle Wechsel von Quantenzuständen

Santa Barbara (USA) - Was heute der Halbleiter Silizium für die Chipindustrie ist, könnten morgen Nanoröhrchen, Quantenpunkte, Supraleiter oder eingefangene Ionen sein. Denn in all diesen potenziellen Silizium-Nachfolgern lässt sich mit der Ausrichtung einzelner Elektronen, den Spins, rechnen. Und das womöglich viel flotter und auf viel kleinerem Raum als in den besten Prozessoren heute. Amerikanische Physiker setzen nun auf Diamanten für den Spintronik-Chip der Zukunft. Denn wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie mit synthetisch hergestellten Schichten dieses Edelsteins unerwartet schnelle Spin-Schaltprozesse kontrollieren.

David Awschalom und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara griffen dazu nicht zu reinen Diamanten oder gar wertvollen Edelsteinen mit mehreren Karat. Sie bevorzugten hauchdünne Diamant-Schichten, in denen hier und da einzelne Stickstoffatome eingebaut waren. Erst durch diese Verunreinigungen entsteht ein Werkstoff, in dem sich Elektronen-Spins gezielt steuern lassen. Genau das gelang der Gruppe um Awschalom mit hochfrequenten Mikrowellenpulsen. So konnten sie einen Spin in weniger als einer Milliardstel Sekunde kontrolliert zum Umklappen bringen. Genau dieses Umklappen von einem Quantenzustand in den anderen bildet die Basis für die Unterscheidung der digitalen Werte "0" und "1".

Im Unterschied zu kontrollierten Spins in Supraleitern oder so genannten Quantenpunkten können in diesen Diamant-Schichten die Spins sogar bei Raumtemperatur kontrolliert werden. Damit haben sie eine wesentliche Voraussetzung für ein Marktprodukt erfüllt. Bis zum ersten Spintronik-Prozessor werden allerdings dennoch viele Jahre vergehen. Davon, dass sie kommen und Silizium ablösen werden, ist Awschalom aber überzeugt: "Mit halbleitenden Spintronik-Modulen sind wir jetzt da, wo der Transistor in den 1950er Jahren war. Und in einigen Jahren könnten mit ihnen Größe, Kapazität und Geschwindigkeit von Computern radikal verändert werden." Darüber hinaus hält er es für möglich, dass aus geeigneten Spinsystemen sogar die Hardware für noch leistungsfähigere Quantencomputer entstehen könnte.