14.10.2013

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

HZDR-Forscher manipulieren magnetische Zustände von Nano-Bauteilen

Moderne Kommunikationsgeräte müssen immer größere Datenmengen senden und empfangen. Die mobile Telekommunikation verbraucht deshalb viel Energie und bricht häufig zusammen, wenn viele Menschen gleichzeitig ihre Apparate verwenden. Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen dieses Problem lösen – indem sie die Magnetisierung nanoskaliger Bauteile mittels Strom manipulieren. Speziell für dieses Projekt richtet die Helmholtz-Gemeinschaft nun die Nachwuchsgruppe "Spintronik" ein und fördert sie mit jährlich 250.000 Euro über sechs Jahre.

Insgesamt 66 Forscherinnen und Forscher aus aller Welt hatten sich in diesem Jahr für eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe beworben. Mit diesem Förderprogramm will die Helmholtz-Gemeinschaft jungen Wissenschaftlern eine Starthilfe für ihre Karriere geben. Am Ende konnten 19 Bewerber die internationale Jury überzeugen. Zu ihnen gehört auch Dr. Alina Maria Deac vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR. Mit den Fördermitteln baut die Physikerin nun ein eigenes Forschungsteam auf, das Bauelemente für neuartige drahtlose Geräte, die gigantische Datenmengen senden und empfangen können, entwickeln will. Die Grundlage dafür sollen die magnetischen Eigenschaften von Elektronen liefern.

„Elektronen transportieren nicht nur elektrische Ladung“, erläutert Dr. Deac, „sondern besitzen auch einen Spin, also einen Drehimpuls um die eigene Achse. Dieser Spin führt dazu, dass sich Elektronen wie winzige Magneten verhalten.“ Sobald ein elektrischer Strom durch ein magnetisches Metall fließt, wird er durch diese Eigenschaft spin-polarisiert. Das bedeutet, dass die Spins mehrheitlich in ein und dieselbe Richtung zeigen. „Da dieser Drehimpuls grundsätzlich nur nach oben oder nach unten weisen kann, liegt es nahe, die Spins als binäre Informationsträger zu verwenden“, beschreibt die Dresdner Wissenschaftlerin. Sogenannte MRAM-Speicher (Magnetoresistive Random-Access Memory) nutzen dies bereits aus.

Bei der Speichertechnologie wird eine hauchdünne Isolationsebene zwischen zwei magnetische Schichten gelegt, von denen eine magnetisch fixiert ist. Ihre Magnetisierungsrichtung kann also, anders als bei der zweiten magnetischen Schicht, nicht verändert werden. Dadurch kann zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen hin und her geschaltet werden, wodurch die Speicherung von Informationen ermöglicht wird. Bislang wird der Spin allerdings nur passiv zum Auslesen der Daten verwendet. Deac und ihre Gruppe wollen nun herausfinden, wie sich mit einem spin-polarisierten Strom ein MRAM-Bit beschreiben lässt. Da diese Bauelemente wesentlich kleiner sind als bisherige Komponenten, wird so eine weitere Miniaturisierung mobiler Kommunikationsgeräte möglich.

Die Bauelemente könnten aber auch die Grundlage für ein „intelligentes“ Handy liefern, das sich automatisch einen freien Kommunikationskanal sucht, falls die Frequenz, auf der es für gewöhnlich sendet, belegt ist. Denn der spin-polarisierte Strom kann die Magnetisierung der nicht fixierten Schicht zum Oszillieren bringen, wodurch eine Wechselspannung entsteht, die der Frequenz von Mobiltelefonen ähnelt. Im Gegensatz zu den heute üblichen Handykomponenten, die mit einer festen Frequenz arbeiten, könnten die Signale, die diese Spin-Drehmoment-Oszillatoren erzeugen, mit dem Stromfluss „getunt“ werden. Dadurch könnten Mobiltelefone der Zukunft auch dann zuverlässig arbeiten, wenn viele Menschen gleichzeitig telefonieren wollen.

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