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Chirale Spintronik: Wenn der Computer zum schnellen Linkshänder wird

Ingenieure bedienen in einem Reinraum des Fraunhofer-Photonikinstituts IPMS in Dresden Anlagen für die experimentelle Chipfertigung. Foto: Max Drescher für das Fraunhofer-IPMS

Ingenieure bedienen in einem Reinraum des Fraunhofer-Photonikinstituts IPMS in Dresden Anlagen für die experimentelle Chipfertigung. Foto: Max Drescher für das Fraunhofer-IPMS

Planck und Fraunhofer Dresden lassen dünne Kristallschichten wachsen, die für schnelle

Dresden, 24. April 2022. Auf der Suche nach neuen Materialien für Spintronik-Computerchips, die schneller und energiesparsamer arbeiten als heutige Schaltkreise, haben sich Elektroniker, Chemiker und Physiker aus Dresden die sogenannten „chiralen Kristalle“ vorgeknöpft. Dabei handelt es sich um Werkstoffe, deren Strukturen sich ähnlich unterscheiden wie rechte und linke Hand beim Menschen. Das Fraunhofer-Photonikinstitut IPMS und das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPFS) haben sich nun im Projekt „Topologische Spintronik“ zusammengetan. Sie züchten dabei dünne Schichten solcher chiralen Kristalle, um sie für den Einsatz in Chipfabriken vorzubereiten.

Ein Fraunhofer-Reinraum in Dresden mit 300-mm-Anlagen für die Chipforschung. Foto: Fraunhofer IPMS

Ein Fraunhofer-Reinraum in Dresden mit 300-mm-Anlagen für die Chipforschung. Foto: Fraunhofer IPMS

Warum Spintronik?

Zum Hintergrund: Heute übliche Mikroelektronik speichert und verarbeitet Daten meist auf von elektrischem Wege. Wenn jedoch Elektronen oder andere Ladungsträger durch ein Halbleitermaterial fließen, stoßen sie auf Widerstände, werden gelegentlich verschluckt, erzeugen unerwünschte Abwärme und können sich ohnehin nicht mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Um diese Limitierungen künftig zu umgehen, verfolgen Elektronikforscher mehrere Pfade. Dazu gehört eben auch die Spintronik. Dabei werden die magnetischen Momente, die sogenannten „Spins“ von Elektronen als Informationsträger genutzt. Statt in Transistoren, die aus vielen Atomen aufgebaut sind, könnten dann unter Umständen einzelne Teilchen zu Datenträgern werden. Zudem müssen sich Spins sich nicht physisch in Kristallen bewegen, um Informationen an ihre Nachbarzellen weiterzugeben. Auch brauchen sie anders als heutige RAM-Speicher keine ständige Stromzufuhr, um sich ihre Daten zu „merken“. Außerdem ist denkbar, mit Spintronik-Bauelementen Computer zu konstruieren, in denen Logik und Speicher nicht so strikt getrennt sind wie in heute üblichen Systemen. All dies sorgt für Hoffnungen, dass künftige Spintronik-Computer weit weniger Energie als heutige Rechner verbrauchen und weit schneller rechnen können.

Prof. Claudia Felser. Foto: MPI-CPFS

Prof. Claudia Felser. Foto: MPI-CPFS

Chirale Kristalle könnten Abkürzung zu neuer Hochgeschwindigkeitselektronik sein

„Spin und Ladung von Elektronen in chiralen Kristallen eröffnen einen neuen Weg für neue Hochgeschwindigkeitselektronik, aber es ist ein langer Weg vom Material zum Bauelement“, betonte CPFS-Direktorin Prof. Claudia Felser. „Mit unseren Kollegen vom Fraunhofer IPMS haben wir die Möglichkeit, eine Abkürzung zu nehmen.“ Das sehen auch die Wissenschaftler bei Fraunhofer so. „Diese Partnerschaft wird uns auf die nächste Stufe heben“, hofft Spintronik-Experte Dr. Maik Wagner-Reetz vom IPMS. „Mit unseren Kollegen vom Max-Planck-Institut können wir mit Materialien arbeiten, die in der CMOS*-Welt noch nicht verfügbar sind.“

Mit solchen Anlagen lassen Dresdner Planck-Forscher und -Forscherinnen dünne Kristallschichten wachsen. Foto: MPI-CPFS

Mit solchen Anlagen lassen Dresdner Planck-Forscher und -Forscherinnen dünne Kristallschichten wachsen. Foto: MPI-CPFS

Planck tummelt sich eher in der Grundlagenforschung, Fraunhofer arbeitet an Industrie-Anwendungen

Das CPFS Dresden arbeitet in der Grundlagenforschung an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie. Es bringt in der Projekt neben diesem wissenschaftlichen Hintergrund unter anderem seine Expertise in der Kristallzucht (Epitaxie) sehr dünner Schichten ein. Die IPMS wiederum sind im Vergleich zu ihren Planck-Kollegen gewohnt sind, anwendungsnäher zu forschen. Zu diesem Photonikinstitut gehört auch das Centrum für nanoelektronische Technologien (CNT), das in eigenen Reinräumen neue Schaltkreis-Produktionstechniken und -Architekturen auf Maschinen für 300 Millimeter große Siliziumscheiben (Wafern) erproben kann, wie sie in heutigen Chipfabriken üblich sind.

*CMOS ist die Abkürzung für „Complementary metal-oxide-semiconductor“ und steht für die in der Mikroelektronik seit Jahrzehnten dominierende Architektur und Herstellungsweise von Halbleiter-Bauelementen.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: IPMS, MPI-CPFS

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