Magnetische Kristalle Ist die Elektronik, so wie wir sie kennen, am Ende?

TEM-Bild einer YIG-LPE-Schicht und Abbildung einer Gitterzelle.
TEM-Bild einer YIG-LPE-Schicht und Abbildung einer Gitterzelle.

Halbleiterbauteile für leistungsfähige Rechner wurden in der Vergangenheit immer kleiner. Bald könnte jedoch die physikalische Grenze erreicht sein. Maßgeschneiderte Spinwellen anstelle bewegter elektrischer Ladungen könnten verhindern, dass sich Bauteile zu stark erwärmen.

Der Einsatz moderner, elektronischer Schaltkreise für immer leistungsfähigere Rechentechnik und mobile Endgeräte stößt mit zunehmender Miniaturisierung bei Halbleitern an seine physikalischen Grenzen. Grund dafür ist, dass sich die verwendeten Nanostrukturen über den elektrischen Stromfluss stark aufheizen. Maßgeschneiderte Spinwellen anstelle bewegter elektrischer Ladungen könnten dieses Problem lösen. Keine Reibungsverluste bedeuten weniger Wärmeverluste in den Bauelementen. Materialwissenschaftler von Innovent entwickeln nanometerdünne, epitaktische Schichten, die als Basismaterial für Spinwellen-Baulemente einsetzbar sind.

Die Basis des Konzepts wurde in aktuellen »Nature«-Artikeln [1,2] von Wissenschaftlern verschiedener Universitäten beschrieben und durchgeführt. Beteiligte Einrichtungen sind beispielsweise die technische Universität Kaiserslautern, die Universität Wien, die Universität von Colorado (USA), die Oakland Universität (USA) sowie die Eidgenössische Polytechnische Hochschule Lausanne (Schweiz).

Das Material jedoch, dass sie für die Umsetzung ihrer Ideen einsetzten, stammt von Innovent aus Jena. Es handelt sich hierbei um nanometerdünne Seltenerd-Eisengranat-Schichten. Sie werden mittels einer speziellen Beschichtungstechnik – der Flüssigphasenepitaxie – hergestellt. Die hohe kristalline und magnetische Perfektion der besagten Schichten definiert, beziehungsweise übertrifft den aktuellen Stand der Technik [3].

Überraschende Ergebnisse

Auf Basis der Schichten und darauf aufgebrachter Nano- beziehungsweise Mikrostrukturen war es möglich, grundlegende physikalische Effekte zu untersuchen, sowie Prototypen neuer Mikrowellenbauelemente zu entwickeln. In dem kürzlich erschienen Artikel »Bose-Einstein condensation of quasiparticles by rapid cooling« [1] wurde gezeigt, dass eine Bose-Einstein-Kondensation nicht nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes, sondern ebenso bei Raumtemperatur und ohne die Injektion von zusätzlichen Teilchen realisierbar ist. Hierzu bedarf es einer geeigneten Materialkombination unter Einsatz perfekter Eisengranat-Schichten, einer einfachen Nanostruktur und einer geeigneten Induktionstechnik.

In einem weiteren Beitrag [2] wurde vorgestellt, dass es mit konventionellen Mikrowellenantennen möglich ist, Spinwellen mit Wellenlängen im Nanometerbereich zu erzeugen. Bisher war das lediglich mit speziellen Anregungstechniken oder Arrays von periodisch angeordneten Nanostreifen möglich. Ebenso war hier eine geeignete Materialkombination aus perfekter Epitaxieschicht und modifizierter Antennenstruktur der ausschlaggebende Faktor. So wurde gezeigt, dass technisch realisierbare Wellenlängenkonverter für Spinwellen schon heute herstellbar sind.

Richtkopplerstrukturen, die kürzlich von der TU Kaiserslautern entwickelt wurden, sind weitere intelligente Mikrowellenbauelemente. Sie könnten eine Vielzahl von herkömmlichen Transistoren in der Halbleitertechnik ersetzen, da wesentlich weniger Bauelemente pro Rechenoperation nötig sind. Ein hierzu vorab publiziertes Manuskript [4] demonstriert einen voll funktionstüchtigen, nanoskaligen Spinwellen-Richtkoppler auf Basis von Eisengranat-Schichten, der primär für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme einsetzbar ist. Das eröffnet neue Wege für integrierte magnetische Schaltkreise, mit denen Daten ohne Nutzung von elektrischen Strömen prozessierbar sind [5].

Einkristalle ermöglichen neue Einblicke

Neben den nanometerdünnen, epitaktischen Eisengranat-Schichten werden bei Innovent ebenfalls magnetische Einkristalle gezüchtet. Sie sind für die Grundlagenforschung sowie für zukünftige Anwendungen interessant. So konnten Mitarbeiter eines der letzten Kapitel bei der Erforschung des wohl bekanntesten technischen Granates, dem Yttrium-Eisen-Granat (YIG), mithilfe eines bei Innovent gezüchteten Einkristalls und dem Einsatz der Neutronenbeugung abschließen.

Im Artikel »The full magnon spectrum of yttrium iron garnet« [6] wurde das vollständige und bisher detailreichste Magnonenspektrum von Yttrium-Eisengranat präsentiert und die Unzulänglichkeiten bisheriger Modelle beseitigt. Weiterhin konnten Forscher in der Veröffentlichung »Scientific Reports« [7] erstmals der experimentelle Nachweis einer reziproken Beziehung zwischen dem Spin-Peltier- und dem Spin-Seebeck-Effekt für eine YIG-Einkristall-Scheibe erbringen. Speziell für eine zukünftige Optimierung von miniaturisierten Peltier-Kühlern könnte das von Interesse sein.

Aufgrund der erfolgreichen Zusammenarbeit mit verschiedenen Forschungsinstituten und deren Bedarf an perfektem Einkristallmaterial wird weiterhin die Materialentwicklung einkristalliner, magnetischer Materialien im Fokus der Entwicklungen stehen. Parallel arbeiten die Wissenschaftler an einer Skalierung der Probendimensionen, um die Materialbasis für eine effiziente Schaltkreisfertigung im Wafermaßstab bereitzustellen.

Literatur:
[1] Michael Schneider et al., https://doi.org/10.1038/s41565-020-0671-z
[2] Ping Che et al., https://doi.org/10.1038/s41467-020-15265-1
[3] Carsten Dubs et al., https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.024416
[4] Qui Wang et al., https://arxiv.org/abs/1910.08801
[5] Andrii V. Chumak et al., https://doi.org/10.1038/nphys3347
[6] Andrew J. Princep et al., https://doi.org/10.1038/s41535-017-0067-y
[7] Alessandro Sola et al., https://doi.org/10.1038/s41598-019-38687-4