Die Spintronik soll den "Quantendrall" der Elementarteilchen für superschnelle Computerchips einspannen. Abb.: NASA, Montage: hw
Dresden (DNN). Die Spintronik – also die Kunst, aus einzelnen Atomen Computer zu konstruieren – wird unsere technischen Möglichkeiten und unser Alltagsleben in naher Zukunft nachhaltig verändern. Davon ist Nobelpreisträger Prof. Albert Fert überzeugt, der derzeit an einem Kolloquium über die Zukunft der Mikroelektronik in Dresden teilnimmt.
Physiker erwartet superschnelle Computer und Stromspareffekte
Prof. Albert Fert besucht die TU Dresden. Abb.: Heiko Weckbrodt
„Die Spintronik entwickelt sich momentan sehr vielversprechend“, sagte der 73-jährige Physiker, der für seine Forschungen in dieser noch jungen Wissenschaftsdisziplin vor vier Jahren den Nobelpreis erhielt. Beispielsweise seien durch diese Technologie erhebliche Stromspareffekte in der Wirtschaft, neue Wege der Krebstherapie und bessere Mobiltelefone absehbar.
Spintronik hat Festplatten auf neues Niveau gehoben
Eingesetzt werden die Spintronik-Fortschritte Ferts und seiner Kollegen (wie Peter Grünberg) bereits in Festplatten: Die sogenannte „Giant Magnetic Resistance“ (Riesiger Magnetwiderstand zwischen Schichten mit unterschiedlich spin-orientierten Schichten) hat dafür gesorgt, dass die Speicherdichte dieser Massenspeicher seit 1997 auf das 800-fache gestiegen ist, von einem auf 800 Gigabit je Quadratzoll. Erst dadurch wurden viele der heutigen Mini-Notebooks und MP3-Player erst möglich.
Inzwischen gehen einige Elektronikfirmen noch einen Schritt weiter und wollen die Spin-Effekte von den eher „langsamen“ Festplatten (1 Millisekunde Zugriffszeit pro Bit) auf schnelle RAM-Riegel (eine Nanosekunde je Bit) übertragen. Sie entwickeln derzeit neuartige Speicher-Chips, die sich Daten ohne ständige Stromzufuhr „merken“. Diese MRAM- und STT-RAM-Bausteine basieren auf Spintronik und sollen superschnelle Computer ermöglichen, die nur wenig Energie verbrauchen.
STT-RAM „merkt“ sich Daten ohne Stromzufuhr
Magnetspeicherchips werden zwar bereits produziert, sind aber noch so teuer und so wenig massenproduktionstauglich, das sie derzeit wegen ihrer schnellen Reaktionszeiten fast nur in der Luftfahrtindustrie (zum Beispiel bei Airbus) und beim Militär eingesetzt werden. Die neueren „Spin Transfer Torque“-RAMs (STT) sind noch aussichtsreicher: Sie können mit herkömmlicher CMOS-Technologie kombiniert werden, Daten ebenfalls ohne Refresh-Strom speichern und basieren darauf, den Spin einzelner Atomlagen durch Induktionselektronen zu ändern. „Technologisch ist man da schon weit“, so Fert. „Die Umrüstung von Anlagen für die Massenproduktion ist aber eine Kostenfrage.“
Protein-genaue Scanner erkennen Krebs schon im früheste Stadium
Weitere mögliche Anwendungsfelder für die Spin-Technik sind neue Lechtdioden und codeknackende Quantencomputer. Auch wird die Spintronik nun eingesetzt, um Blutkrebs-Scanner zu bauen, die so empfindlich sind, dass sie sogar einzelne Defektproteine entdecken. Damit soll die heimtückische Krankheit früher entdeckbar und behandelbar werden.
Zunächst werde die neue Technik wohl in Hybrid-Lösungen eingesetzt, meint Fert: In Computerchips zum Beispiel, die konventionelle Siliziumverfahren und Spintronik auf Kohlenstoffbasis („Graphen“) kombinieren. In etwa fünf Jahren könnten dann schon reinrassige Spintronik-Chip notwendig werden, um die physikalischen Grenzen der Halbleiter-Technik hinauszuschieben.
Video zur Nobelpreisverleihung (Thales)
Fert wollte zunächst Künstler werden
Der 1938 im südwestfranzösischen Carcassonne geborene Fert selbst hat seine Liebe zur Physik übrigens erst spät entdeckt: „Ich habe lange gezögert, ob ich nicht besser Literatur oder Kunst studiere“, erzählte er im Oiger-Gespräch. „Aber schließlich habe ich die großen Chancen der Physik erkannt, noch echte Entdeckungen zu machen und Neuland zu betreten.“ Und das ist ihm auch gelungen.
Heiko Weckbrodt
Stichwort Spintronik
1924 entdeckte Wolfgang Pauli, dass Elektronen quatenmechanische Merkmale haben, die keinem Phänomen unserer Alltagserfahrungswelt vergleichbar sind. Später etablierte sich dafür die Bezeichnung „Spin“ (Drehung) in Analogie zum Drehmoment, der zwei Zustände haben kann: „Up“ und „Down“. Der Spin beeinflusst unter anderem die magnetischen Eigenschaften eines Materials. Davon abgeleitet ist das Konzept der Spin-Elektronik der „Spintronik“, die möglichst den Spin einzelner Elementarteilchen – der die Binärzahlen 0 und 1 repräsentieren kann – für die Konstruktion hochintegrierter Computerchips einsetzen will. hw
Zum Weiterlesen: Populärwissenschaftlicher Vortrag über Graphen am Freitag
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