Daten am Ende des Tunnels

Dr. Sergio Valencia und Dr. Florian Kronast vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie sind genau wie Dr. Manuel Bibes und seine Kollegen von der französischen Forschungsorganisation CNRS südlich von Paris klassische Grundlagenforscher. Und doch zeigen sie mit ihrer Arbeit über die elektrische Steuerung von Elektronen-Spins einen Weg zur Entwicklung schnell startender Computer mit niedrigem Stromverbrauch. Denn jedes Elektron besitzt einen so genannten Spin, der ein kleines Magnetfeld erzeugt. „Eine elektrische Steuerung der Spins könnte nicht nur die Arbeitsspeicher in Computern revolutionieren, sondern auch andere elektronische Bauteile verbessern“, erklärt Sergio Valencia.

In heutigen PCs besteht der Arbeitsspeicher im Prinzip aus elektrischen Kondensatoren, also vielen kleinen Speichern für elektrische Ladungen. Wird die Stromzufuhr unterbrochen, entladen sich die Kondensatoren und die Daten sind weg. Beim nächsten Start holt sich der Computer die auf der Festplatte magnetisch dauerhaft gespeicherten Informationen für das Betriebssystem und die installierten Programme wieder in den Arbeitsspeicher. Das aber dauert je nach Gerät und Programmen einige Minuten. Erst nach diesem „Hochfahren“ kann der PC benutzt werden. Obendrein verlieren die Kondensatoren des Arbeitsspeichers laufend Ladung, die während des normalen Betriebs mehrmals in der Sekunde aufgefrischt werden muss. Dadurch frisst der Arbeitsspeicher relativ viel Energie.

Entwickler arbeiten daher eifrig an Systemen, die Daten magnetisch speichern. Sie nutzen den so genannten „magnetischen Tunnelwiderstand“ TMR (TunnelMagnetoResistance). „Dabei werden zwei dünne Magnetschichten, die zum Beispiel aus Eisen bestehen, durch einen noch dünneren Isolator voneinander getrennt“, erklärt Valencia. Im Prinzip verhindert diese Zwischenschicht, dass Elektronen von einer Magnetschicht zur anderen fließen. Ist der Isolator aber nur einen Millionstel Millimeter dick, lassen quantenmechanische Effekte einige Elektronen durch diese Sperrschicht „tunneln“.

Elektronen tragen aber nicht nur elektrische Ladungen, die in herkömmlichen Kondensatoren gespeichert werden können, sondern haben auch einen so genannten Spin, der ein winziges Magnetfeld erzeugt. Und dieses Magnetfeld bleibt auch dann erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird. Dabei kann der Spin zwei verschiedene Richtungen haben, die Physiker als „up“ und „down“ bezeichnen. Enthalten beide Magnetschichten eines TMR überwiegend Spins der gleichen Orientierung, tunneln die Elektronen viel leichter als bei einer Magnetschicht, die vor allem „up“-Spins enthält, während die andere überwiegend „down“-Spins hat. Im Prinzip kann man mit diesem Bauelement also einen Speicher herstellen, der zum Beispiel die binäre Zahl „1“ durch einen winzigen Abschnitt mit schlecht tunnelnden Elektronen und die „0“ durch gutes Tunneln dauerhaft festhält. Ein solcher auf Spins basierender Speicher kann ähnlich rasch und oft wie ein herkömmlicher Elektrokondensator-Arbeitsspeicher neu beschrieben werden.

Mit solchen TMR-Elementen funktionieren zum Beispiel die Leseköpfe moderner Festplatten in Computern. Zum Schreiben der Daten benötigen solche TMR-Arbeitsspeicher aber relativ starke Magnetfelder und daher auch viel Energie. Die CNRS-Forscher Vincent Garcia und Manuel Bibes haben daher den Isolator aus einer ferroelektrischen Verbindung hergestellt, die Bariumtitanat heißt. Anschließend haben die  HZB-Forscher Sergio Valencia und Florian Kronast die chemische Zusammensetzung der beteiligten Magnetschichten mit Hilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie genau untersucht.

Ein elektrisches Feld schaltet diesen Isolator mit sehr geringem Energieaufwand so, dass er auf einer Seite eine leicht positive und auf der anderen eine leicht negative elektrische Ladung trägt. Kehrt man das elektrische Feld um, dreht sich auch die Ladungsverteilung im Bariumtitanat um. Jede der beiden Schaltungen beeinflusst aber auch die Spins in den unmittelbar benachbarten magnetischen Schichten und damit natürlich auch das Tunneln. Diese Anordnung hat einen Riesenvorteil: Einmal dort niedergeschriebene Daten bleiben auch erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird.

„Nach diesem Vorbild könnte man zum Beispiel Arbeitsspeicher für PCs bauen, die erheblich weniger Energie als heutige Bauteile verbrauchen, trotzdem die Daten dauerhaft speichern und daher beim Einschalten sehr rasch hochfahren“, hofft Sergio Valencia. Damit haben die Grundlagenforscher vom CNRS und dem HZB eine Tür geöffnet, die zu einem schnell startenden Computer führen könnte, der erheblich umweltfreundlicher als herkömmliche Rechner ist.