Albert Fert: Die neue Elektronik

Der fließende Strom ist das Arbeitspferd der modernen Elektronik, inzwischen ist er aber auch ihr größtes Problem: So klein und dicht gepackt sind elektronische Bauteile heutzutage, dass die Ströme ständig drohen, die integrierten Schaltkreise zu überhitzen und durchzubrennen. Auch Speicherbits, die magnetisch geschrieben und ausgelesen werden, können nicht mehr kleiner werden – die entstehenden Felder könnten benachbarte Bits überschreiben. Dieses Problem und seine mögliche Lösung hat Albert Fert gestern in seinem Lindauer Vortrag vorgestellt.

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Albert Fert im Jahr 2009

Es geht dabei um die Spintronik, bei der man den Einfluss der Elektronenspins auf die elektrische Leitfähigkeit nutzt, um elektronische Komponenten leistungsfähiger zu machen. Damit kommt nun auch die zweite, vernachlässigte Hälfte des Elektromagnetismus zum Einsatz. Nachdem seit über hundert Jahren elektrische Felder in der Technik das Verhalten der Elektronen steuern, besinnen sich die Wissenschaftler jetzt auf den Magnetismus.

Hier spielt der Spin eine vergleichbare Rolle wie die Ladung des Elektrons für den Strom, er ist die Grundeinheit magnetischer Eigenschaften. Wie die Ladung gibt es auch den Spin in zwei entgegengesetzten Varianten, allerdings kann hier ein Elektron beide Orientierungen einnehmen. Und wenn ein externes Feld vorhanden ist, zum Beispiel durch die Magnetisierung des leitenden Materials, haben die beiden Spin-Orientierungen unterschiedliche Energien. Dadurch bekommt man zwei separate Leitungsbänder für die beiden unterschiedlichen Spins, und in speziellen Materialien ist eines von beiden von Natur aus blockiert, so dass nur Elektronen mit einer bestimmten Spin-Orientierung durch das Material fließen.

Widerstand durch Spinkontrolle

Das ist eigentlich der ganze Trick der Spintronik. Wenn nur Elektronen mit einem bestimmten Spin fließen können, dann kann man den Widerstand des Leiters drastisch erhöhen, einfach indem man den Spinzustand des Materials, also seine Magnetisierung, ändert. Damit ist auch etwa die erste Hälfte von Ferts Vortrag umrissen, die bessere Hälfte. Er hat sein Publikum zu Beginn vorgewarnt, dass er Grundlagenforscher ist, und so ist es dann auch gelaufen. Verglichen mit den liebevoll gemachten Abbildungen von blockierten und offenen Leitungsbändern fielen die Grafiken im zweiten Teil doch ein Bisschen ab.

In diesem zweiten Teil ging es dann darum, was man mit solchen Spin-Effekten tatsächlich machen kann. Das Paradebeispiel ist da der Riesenmagnetowiderstand, für den Fert zusammen mit Grünberg seinen Preis bekommen hat. Er basiert darauf, dass Schichten aus Materialien, die jeweils abwechselnd die beiden Leitungsbänder für unterschiedliche Spins blockieren, extrem empfindlich auf externe Magnetfelder reagieren – zum Beispiel eben die Magnetfelder der Speicherbits einer Festplatte. Die kann man seither ein ganzes Stückchen kleiner bauen.

Aber das ist erst der Anfang. Die nächste schöne Technik, die schon unterwegs in den Alltag ist, sind die MRAMs (magnetoresistive random access memory). Die basieren darauf, dass Elektronen eine dünne Isolatorschicht durchtunneln können, so dass ein Strom fließen kann. In Spintronik-Materialien ist die Tunnelwahrscheinlichkeit und damit der elektrische Widerstand abhängig von der Spin-Orientierung des Materials – die man wiederum mit Magnetfeldern verändern kann.

Elektronik ohne Strom?

Diese Technik hat, wie zu Anfang erwähnt, den großen Vorteil, dass die gespeicherten Bits nicht flüchtig sind. Das heißt, es muss nicht permanent eine Spannung anliegen, was enorm den Energieverbrauch reduziert und damit auch die Hitzeabgabe. Der nächste spannende Effekt ist die Spintransfer-Technik, bei der die Spin-Orientierung des fließenden Stroms direkt auf das Speichermaterial übertragen werden. Magnetoresistive Speicher, die auf diesem Effekt basieren, können durch interne Ströme manipuliert und ausgelesen werden, und die einzelnen Bits stören sich nicht mehr gegenseitig durch ihre Magnetfelder.

Entsprechend prophezeit Fert der Technik eine große Zukunft, denn ihre Möglichkeiten sind noch nicht ausgereizt. Derzeit in der Entwicklung sind Bauteile, die auf Effekten wie eben jenem Spintranfer oder der selbst für Physik-Verhältnisse exotischen spin transfer induced vortex gyration basieren, die starke Mikrowellen erzeugt. In naher Zukunft wird die Spintronik erstmal zusammen mit klassischer CMOS-Elektronik zu Hybridbauteilen kombiniert werden, aber Fert geht davon aus, dass neue Techniken und neue Materialien dazu führen werden, dass Spintronik-Elemente immer wichtiger werden.

Schon heute arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure daran, eine Elektronik zu erschaffen, die allein mit Spinströmen arbeitet, um Informationen zu übertragen. Elektronen würden dann nur noch dann und wann für Schaltvorgänge fließen und sonst da bleiben wo sie sind. In dieser Vision verbrauchen Computer kaum noch Energie, man kann integrierte Schaltkreise noch viel kleiner bauen, ohne sich um Überhitzung zu sorgen und hat damit die derzeitige Grenze der Miniaturisierung durchbrochen. Jetzt muss das alles nur noch so funktionieren wie Fert sich das vorstellt.

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