Neuer Isolator macht Computer-Arbeitsspeicher mit magnetischem Tunnelwiderstand zukünftig effektiver Tunnelnde Spins für bessere Arbeitsspeicher - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neuer Isolator macht Computer-Arbeitsspeicher mit magnetischem Tunnelwiderstand zukünftig effektiver

Tunnelnde Spins für bessere Arbeitsspeicher

Prinzip des Arbeitsspeichers mit magnetischem Tunnelwiderstand © Markus Meinert / CC-by-sa 3.0

Erstmals haben Wissenschaftler den Spin von Elektronen durch elektrische Felder so gesteuert, dass damit Daten dauerhaft gespeichert werden können. Das jetzt in „Science“ online publizierte Prinzip könnte zukünftig nicht nur die Arbeitsspeicher in Computern revolutionieren, sondern auch andere elektronische Bauteile verbessern.

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Neuartige Arbeitsspeicher nutzen den so genannten magnetischen Tunnelwiderstand (TMR). Dabei werden zwei dünne Magnetschichten durch einen nur einen Millionstel Millimeter dicken Isolator voneinander getrennt. Obwohl der Isolator eigentlich keine Elektronen durchlässt, können einige der Ladungsträger trotzdem wie durch einen Tunnel auf die andere Seite schlüpfen. Möglich ist dies aufgrund des Eigendrehimpulses der Elektronen, dem Spin. Enthalten beide Magnetschichten eines TMR überwiegend Spins der gleichen Orientierung, tunneln die Elektronen viel leichter als wenn eine Magnetschicht vor allem „up“-Spins und die andere überwiegend „down“-Spins enthält.

Magnetspeicher bisher zu energieintensiv

Mit solch einem Bauelement, in dem beide Magnetschichten Elektronen mit gleichem Spin haben, kann man einen Speicher herstellen, der ähnlich wie ein herkömmlicher Arbeitsspeicher rasch und oft mit Daten neu beschrieben werden kann. Derartige auch als MRAM bezeichnete Arbeitsspeicher benötigen zum Schreiben der Daten aber bisher noch relativ starke Magnetfelder und daher auch viel Energie. Das könnte sich mit der Forschung ändern, die Wissenschaftler jetzt im Wissenschaftsmagazin Science vorstellten: Vincent Garcia und Manuel Bibes von der französischen Grundlagenforschungsorganisation CNRS stellten einen neuen Isolator aus einer Bariumtitanat genannten Verbindung her. Sergio Valencia und Florian Kronast vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) untersuchten die chemische Zusammensetzung der beteiligten Magnetschichten mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie.

Schaltbar durch elektrische Felder

Das Besondere am neuen Isolator: Mit einem elektrischen Feld können die Wissenschaftler diesen so schalten, dass er die Spins der Elektronen in den angrenzenden magnetischen Schichten und damit auch das Tunneln beeinflusst. Da die Schaltung im Isolator auch ohne Strom erhalten bleibt, könnte man nach diesem Vorbild zum Beispiel Arbeitsspeicher für PCs bauen, die wenig Energie verbrauchen und trotzdem die Daten dauerhaft speichern.

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(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 20.01.2010 – NPO)

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