Ein Durchbruch in der Spinwellentechnologie könnte den Weg zu stromsparenden nichtflüchtigen Speichern ebnen

An meiner Universität war es nicht verpflichtend, Vorlesungen in Quantenmechanik zu besuchen. Hinter all dem steckt doch die Prämisse, dass man nie etwas wirklich „wissen“ kann, sondern nur die Wahrscheinlichkeit dafür, dass etwas so ist, oder nicht? Das klang ziemlich albern für mich. Dann besuchte ich einen weiterführenden Kurs in Elektromagnetik und Signalverarbeitung und musste mich mit noch viel mehr Zahlen beschäftigen, die mir nicht sinnvoll erschienen. Ich bin froh, dass sich einige Leute entschieden haben, an diesem Kurs teilzunehmen, denn sie sind diejenigen, die heute die Durchbrüche in der Quantentechnologie erzielen. Einige Forscher veröffentlichten vor kurzem ein Dokument, in dem sie detailliert ihre Entdeckungen in der Spinwellenelektronik oder Spintronik beschrieben. Ihre Erkenntnisse könnten den Weg für reale Spintronik-Geräte wie etwa Speicher ebnen. Dieser Speicher würde einige Vorteile mit sich bringen, wie z. B. Nichtflüchtigkeit und einen stromsparenden Betrieb. Diese Vorteile könnten sie zur idealen Wahl für eingebettete Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) machen und sie zu einem ernsthaften Konkurrenten für Flash-Speicher werden lassen.

Die Spinwellentechnologie

Bevor wir näher auf die neuesten Durchbrüche eingehen, müssen wir erläutern, was man unter der Spinwellentechnologie eigentlich versteht. Anschließend besprechen wir, was diese Forscher genau entdeckt haben.

In der herkömmlichen Elektronik werden Elektronenladungen genutzt, um Informationen zu speichern und Operationen auszuführen. Transistoren besitzen einen „Ein“- und einen „Aus“-Zustand, zwischen denen sie wechseln können, wenn sie einen elektrischen Strom leiten. In der Spintronik werden ebenfalls Elektronen genutzt. Anstelle ihrer Ladungen werden jedoch ihre Spins zur Speicherung von Informationen verwendet. Ein Elektronenspin besitzt zwei Zustände, die durch das Messen der kleinen Magnetfelder, die sie abstrahlen, unterschieden werden können. Forscher haben jetzt herausgefunden, wie diese Spin-Zustände genutzt werden können, um die transistorbasierte Elektronik zu ersetzen.

Ein Team der Nationalen Universität Singapur hat kürzlich einen großen Fortschritt in der Erforschung der Spinwellentechnologie erzielt. Offensichtlich besteht eines der Probleme der Spintronik darin, dass Wellensignale anisotrop sind, d. h. sie sind je nach Richtung unterschiedlich. Die Forschergruppe, die von Professor Adekunle Adeyeye geleitet wird, setzte eine neuartige Struktur ein, die es ermöglicht, dasselbe Signal gleichzeitig in mehrere Richtungen zu verbreiten. Für diese Konfiguration ist kein externes magnetisches Feld erforderlich, was die Realisierung erleichtert. Zuvor hatten dieselben Ingenieure einen Weg für die Übertragung und Manipulation von Spinwellensignalen ohne externes magnetisches Feld gefunden. Miteinander kombiniert, könnten beide Entdeckungen den Weg für Spintronik-Bauelemente ebnen.

^{Elektronen könnten die nächsten Transistoren sein}

Vorteile der Spintronik

Nur weil etwas neu ist, muss es noch nicht unbedingt nützlich sein. Was bringt also die Spinwellentechnologie? Die Spintronik bietet mehrere Vorteile, die in Speicheranwendungen sinnvoll genutzt werden könnten. Sie ist stromsparend, nichtflüchtig und kann einfache Materialien zum Speichern von Informationen nutzen.

• Stromsparend – Transistoren benötigen Strom, um ihren Zustand ändern zu können. Spin-Zustände können einfach und mit viel weniger Energie umgekehrt werden und benötigen auch keinen Strom zum Ändern der Zustände.

• Nichtflüchtig – Ein Grund, weshalb Flash-Speicher mittlerweile so weit verbreitet sind, liegt darin, dass sie schnell und nichtflüchtig sind. Dies bedeutet, dass Informationen ohne Energiezufuhr gespeichert werden können. Die Spintronik ist unabhängig von Strom oder Ladungen, um ihren Zustand halten zu können. Wenn die Elektronen einen „Spin-Up-“ oder „Spin-Down“-Zustand aufweisen, bleibt dieser Zustand so lange bestehen, bis er geändert wird. Hierdurch ist der Zustand nichtflüchtig.

• Gängige Materialien – Obwohl wir selten über Materialien nachdenken, sind viele der in der Elektronik verwendeten Halbleiter recht speziell. Der Spin kann, z. B. in Materialien wie Eisen, Kupfer oder Aluminium gemessen werden. Dies hätte zur Folge, dass Speicherbausteine aus gängigen Materialien preiswerter zu beziehen und in Designs zu integrieren sind.

Obwohl das Schwerpunktthema dieses Artikels Speichermedien sind, sollte erwähnt werden, dass die Spinwellentechnologie auch für die digitale Signalverarbeitung nützlich ist. Aufgrund ihres Wesens besitzt die Spintronik einige rechentechnische Vorteile im Hinblick auf das Verarbeiten von Signalen und das Ausführen von Operationen, wie z. B. Fouriertransformationen.

^{Für das Internet der Dinge wird stromsparender Speicher für die weit verstreuten stromsparenden Sensoren benötigt.}

Anwendungen für magnetische Speicher

Es gibt bereits mehrere Anwendungen, in denen die Spinwellenspeicher – auch als magnetische Speicher bezeichnet – eingesetzt werden können. Der Markt, der diese Speichertechnologie am meisten braucht, ist das Internet der Dinge.

Das Internet der Dinge steht derzeit an der Schwelle eines explosiven Wachstums. Nicht allein unsere Hausgeräte werden intelligent, sondern auch Autos, Städte und sogar unsere Haushalte selbst. Beim Internet der Dinge werden Sensoren über enorm große Bereiche verstreut. Über ein spezielles Netzwerk übertragen sie Informationen für die Datenerfassung und ‑interpretation. Da diese weit verstreuten Sensoren nicht jedes Jahr neue Batterien erhalten, benötigen sie stromsparende Speicher, um die gesammelten Informationen speichern zu können. Deshalb arbeiten so viele Unternehmen an der Entwicklung extrem stromsparender Flash-Speicher. Diese werden die bevorzugte Speicherlösung für diese Netzwerke sein.

Die Magnetspeicher wären ein großer Konkurrent für Flash-Produkte. Unternehmen mussten jahrelang forschen, um Flash-Speicher auf extrem geringen Stromverbrauch zu trimmen. Der Einsatz von Spinwellenspeichern würde auf dieser Stufe beginnen und könnte wahrscheinlich noch weiter verbessert werden. In der Spintronik werden zudem auch mehr leicht verfügbare Materialien eingesetzt, die sie preiswerter als konventionelle, auf spezialisierten Halbleitern basierende Speichermedien.

Der Markt ist also da und wartet auf die Spinwellentechnologie. Durchbrüche, wie sie die Forscher in Singapur erreicht haben, bringen diese Technologie einen Schritt näher. Bald wird die Spintronik nicht mehr nur eine Idee sein, die wir in weiterführenden Kursen zur Quantenphysik studieren, sondern sie werden unsere Essgewohnheiten in unseren intelligenten Gabeln speichern.

Die Integration der Spintronik in unsere Schaltungen wird keine leichte Aufgabe sein. Um es gut zu machen, benötigen Sie Software, für die das Integrieren von Design-Techniken der nächsten Generation etwas Alltägliches ist – so wie bei Altium Designer. Die Software bringt eine Vielzahl an PCB-Tools mit, die Sie dabei unterstützen, die Technologie der Zukunft in Ihre Designs zu integrieren.

Haben Sie weitere Fragen zur Spintronik? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.