Datenverarbeitung mit Spinwellen Magnetische Wirbel als natürliche Mini-Antenne

Das Zentrum eines magnetischen Wirbels sendet unter hochfrequenten magnetischen Wechselfeldern Spinwellen mit sehr kurzen Wellenlängen aus.
Das Zentrum eines magnetischen Wirbels sendet unter hochfrequenten magnetischen Wechselfeldern Spinwellen mit sehr kurzen Wellenlängen aus.

Die Miniaturisierung gerät langsam an ihre Grenzen, denn bei der Datenverarbeitung in kompakten Chips kann die entstandene Wärme kaum noch abgeleitet werden. Eine vielversprechende Alternative für den Informationstransport sind magnetische Spinwellen. Hierbei gilt: Je kleiner desto besser.

Handys und Computer werden derzeit in atemberaubendem Tempo weiter entwickelt, ganz nach der Devise: Kleiner, schneller, stromsparender. Doch bei der klassischen Datenübertragung mit elektrischen Strömen, werden weitere Miniaturisierungen jetzt schon schwierig. Dr. Sebastian Wintz vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung weiß den Grund: »Ein wesentliches Problem ist die Wärme, die beim Datentransport mit Hilfe elektrischer Ströme entsteht.« Zusammen mit internationalen Kollegen arbeitet er an sogenannten Spinwellen (Magnonen). Sie sollen in Zukunft als Informationsträger dienen. Nun ist es den Forschern erstmals gelungen, Spinwellen von besonders kleiner Wellenlänge zu erzeugen.

Aktuell basiert die Informationsverarbeitung auf elektrischen Strömen. Geladene Teilchen rasen durch ein Netz von Leiterbahnen. Sie liegen zunehmend gedrängt zusammen, da Chips immer kompakter werden. Auf ihrem Weg stoßen die Elektronen mit Atomen zusammen, die dadurch im Kristallgitter hin und her schwingen und so Wärme erzeugen. Liegen die Leiterbahnen zu dicht beieinander, kann sie nicht mehr abgeführt werden und das System versagt. »Der große Vorteil von Spinwellen ist, dass die Elektronen selbst sich nicht bewegen«, erläutert Wintz. Beim Datenfluss entstehe also kaum Wärme.

Um Spinwellen zu erzeugen, werden künstlich hergestellte Antennen aus Metall eingesetzt, die bei Fluss eines hochfrequenten Wechselstroms Magnonen erzeugen. Dabei entspricht die kleinste erzeugbare Wellenlänge in etwa der Größe der verwendeten Antenne. Genau hier liegt ein großes Problem: Um den Ansprüchen der fortschreitenden Miniaturisierung gerecht zu werdden, sind kleine Wellenlängen im Nanometerbereich notwendig. Jedoch können derart kleine Hochfrequenz-Antennen derzeit nicht gefertigt werden.

Dem Forschungsteam aus Deutschland, der Schweiz und den USA ist es nun gelungen, besonders kurzwellige Spinwellen zu erzeugen. Als natürlich geformte Antenne nutzen sie dabei das Zentrum eines magnetischen Wirbels, der in einem hauchdünnen ferromagnetischen Plättchen entsteht. Aufgrund der räumlichen Begrenzung ordnen sich nicht alle Spins, wie üblich, parallel zueinander an, sondern entlang konzentrischer Kreise. Das wiederum zwingt die Spins in einem kleinen Bereich in der Mitte – er misst nur wenige Nanometer – sich aufzurichten. Sie zeigen von der Plättchen-Oberfläche weg. Wird dieses Zentrum einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, entsteht eine Spinwelle.

Um die gewünschte Kurzwelligkeit zu erreichen, bedarf es jedoch noch eines weiteren Tricks: Ein zweites Plättchen wird auf das erste gelegt, getrennt durch eine dünne, nichtmagnetische Schicht. Hat die Trennschicht eine bestimmte Dicke, entsteht zwischen den beiden Plättchen eine antiferromagnetische Wechselwirkung: die Spins sind bestrebt, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. Dadurch wird die Wellenlänge der ausgesandten Spinwellen um ein Vielfaches reduziert.

Außerdem konnten die Wissenschaftler noch weitere Eigenschaften demonstrieren, die für Applikationen nützlich sein könnten. Mithilfe zeitaufgelöster Aufnahmen eines Röntgen-Mikroskops des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart, zeigten sie, dass die Wellenlänge sich durch die Wahl der Anregungsfrequenz exakt einstellen lässt. Ähnliche Messungen wurden außerdem am Paul Scherrer Institut in der Schweiz durchgeführt. Dabei sind die Ergebnisse im Einklang mit einem theoretischen Modell, das speziell für diese Arbeit an der Oakland University in den USA berechnet wurde. Hier zeigt sich zudem ein erstaunliches Phänomen, das bislang im Experiment noch nicht direkt beobachtet wurde: die Geschwindigkeit, mit der sich die Spinwellen ausbreiten, ist stark richtungsabhängig. Ein weiterer Punkt, der eine Vielzahl von Anwendungen in der Signalverarbeitung ermöglichen könnte.