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StartseiteForschung aktuellKombination aus Arbeitsspeicher und Festplatte30.03.2007

Kombination aus Arbeitsspeicher und Festplatte

Physiker wollen mit magnetischen Effekten neue Mikroprozessoren bauen

Physik. – Der bisherige Takt der Beschleunigung in der Informationsverarbeitung wird sich in Zukunft nur mit neuen Technologien aufrecht erhalten lassen. Eine davon ist die Spintronik, die sowohl die Ladung als auch die Drehung von Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzt. Auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Regensburg wurde über die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet diskutiert.

Von Jan Lublinski

Müssen bald durch andere Technologien ergänzt werden siliziumbasierte Computerchips. (IBM)
Müssen bald durch andere Technologien ergänzt werden siliziumbasierte Computerchips. (IBM)

Dass Mikroprozessoren immer schneller werden, ist nicht der einzige Indikator für den Fortschritt der Computertechnologie. Auch die magnetischen Speicher sind über die Jahre immer besser geworden. Eine Festplatte mit einem Terabyte wäre noch vor einem Jahrzehnt undenkbar gewesen. Aber noch immer bestehen die Computer aus diesen beiden Komponenten: Die Mikroprozessoren einerseits, die schnell sind, aber dafür aber ihren Speicherinhalt verlieren, sobald der Strom aus ist, und andererseits die Magnetspeicher, die Festplatten, die relativ langsam sind, dafür aber nichts vergessen. Diese beiden Gerätetypen nutzen zwei unterschiedliche Eigenschaften von Elektronen: Zum einen die elektrische Ladung: Wenn Elektronen sich bewegen, fließt ein Strom. Zum anderen ihre Eigendrehung, den Spin, den man sich als eine winzige Kompassnadel vorstellen kann und der für die magnetischen Eigenschaften verschiedener Metalle verantwortlich. Die physikalische Forschungsrichtung der "Spintronik" – als Kombination von Spin und Elektronik – bemüht sich nun darum, diese beiden Bereiche zu verbinden. David Awschalom von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara:

"”Die Faszination der Spintronik besteht inzwischen nicht mehr nur darin, die gängigen Festplattensysteme zu verbessern. Wir wollen eine Technologie entwickeln, mit der wir den Unterschied zwischen der Festplatte und dem Arbeitsspeicher aufheben und zu einem einzigen System zusammen zu führen.""

Der jüngste Erfolg der Spintronik ist die Marktreife der so genannten M-RAMs, magnetische Arbeitsspeicher, die ihre Daten nicht verlieren, wenn man den Computer abschaltet. Diese neuen magnetischen Speicher sind wesentlich schneller und auch sicherer als die Flash-Memories – also die gängigen USB-Sticks oder die Karten in digitalen Fotoapparaten. Mit den M-RAMs soll es bald möglich werden, einen Computer in weniger als einer Sekunde hochzufahren. Grundlagenforscher verfolgen darüber hinaus das Ziel, die Spins zum Rechnen in Mikrochips zu verwenden: Immerhin können diese kleinen Magnetnadeln zwei Zustände einnehmen, wenn man sie in ein Magnetfeld bringt: Sie können sich nach oben oder unten ausrichten. Gelingt es darüber hinaus noch, die Spins zu verschalten, wird es möglich, logische Operationen sehr schnell auszuführen. Ein Computer auf dieser Basis würde unglaubliche Geschwindigkeiten erreichen. Bislang aber haben die Physiker die magnetischen Spin-Eigenschaften der Elektronen überwiegend in metallischen Materialien untersucht – jetzt gehen sie dazu über, auch mit Halbleitern zu arbeiten.

"Weil die Halbleiter den Vorteil haben, dass man die Zahl der beweglichen Ladungsträger über Spannungen, die man von außen anlegt, variieren kann. Man kann also Magnetismus ein- oder ausschalten."

Dieter Weiss von der Universität Regensburg. In den vergangenen beiden Jahren gab es auf diesem Gebiet einige Erfolgsmeldungen: Physikern ist es gelungen, Spins durch einen Halbleiter laufen zu lassen und sie zu sortieren, zum Beispiel Spins, die nach oben zeigen, können sie nach links laufen lassen und Spins, die nach unten zeigen, nach rechts. Darüber hinaus sind David Awshalom und seinen Kollegen inzwischen in der Lage, die Ausrichtung eines einzelnen Elektronen-Spins in einem Halbleiter zu messen. Awshalom:

"”Dieses Experiment hat uns einige Jahre gekostet – jetzt aber haben wir einen Versuchsaufbau mit dem wir ein einzelnes Elektron in eine Halbleiterstruktur schleusen können. Wir können dort seinen Spin immer wieder messen – mit Hilfe von Licht – und zwar so, dass die Information beim Auslesen nicht gelöscht wird. Das ist ein großer wissenschaftlicher aber auch technologischer Schritt.""

In Zukunft werden die Physiker alles daran setzen, die verschiedenen Experimente zusammenzuführen – also das Einschreiben, Verarbeiten und Auslesen von Spin-Information – um so einen ersten, sehr einfachen Spintronik-Chip zu bauen.

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