Alex Khajetoorians steht in seinem Labor an der Uni Hamburg und zeigt auf sein Arbeitsgerät – ein Spezialmikroskop, zwei Stockwerke hoch und von prägnanter Form.
"Es sieht aus wie ein Raumschiff aus einem Comic. Wir mussten das Mikroskop so massiv bauen, um es möglichst gut von seiner Umgebung zu isolieren. Es steht auf einem schwingungsgedämpften Fundament, so dass es nicht stört, wenn in der Nähe die U-Bahn vorbeirumpelt."
Der Amerikaner legt einen Schalter um, aus dem Raumschiff quillt kalter Nebel. Fast könnte man meinen, das Ding hebt gleich ab. Aber:
"Was man da hört, sind die ultrakalten Flüssigkeiten, mit denen wir das Mikroskop kühlen. Wir müssen es nämlich bei extrem niedrigen Temperaturen betreiben."
Und zwar bei -272° Celsius. Rastertunnelmikroskop, so heißt das Spezialgerät. Ähnlich wie ein Plattenspieler tastet eine feine Nadelspitze die Proben ab. Dadurch kann es einzelne Atome nicht nur sichtbar machen, sondern sogar hin- und herschieben. Ein Kran für die Nanowelt, für Gebilde im Maßstab von Millionstel Millimetern. Die Hamburger Physiker haben damit Spektakuläres geschafft. Khajetoorians:
"Wir haben einzelne Atome als Rechnerelemente nutzbar gemacht. Konkret haben wir den Spin der Atome verwendet, um eine grundlegende Computeroperation zu realisieren."
In einem heutigen Mikroprozessor fließt bei jedem Rechenvorgang ein winziger elektrischer Strom. Und da pro Sekunde Milliarden von Schaltvorgängen passieren, fließen auch Milliarden kleiner Stromsignale hin und her. Die Folge: Die Prozessoren laufen heiß und verbrauchen eine Menge Energie. Deshalb setzen Alex Khajetoorians und seine Kollegen auf anderes Konzept. Sie nutzen eine bestimmte Eigenschaft von Atomen, den Spin.
"Atome, die einen Spin besitzen, fungieren wie winzig kleine Kompassnadeln. Und daraus haben wir einen simples Schaltelement für den Computer konstruiert."
Mit ihrem Spezialmikroskop fügen die Forscher Eisenatome zu einer Reihe – wenn man so will Atome im Gänsemarsch. Das Entscheidende: Die Spins der Eisenatome sind abwechselnd angeordnet: Die erste Kompassnadel zeigt nach oben, die zweite nach unten, die dritte wieder nach oben, und so weiter. Ein kurzer magnetischer Schaltimpuls genügt, und die erste Kompassnadel springt um und zeigt nicht mehr nach oben, sondern nach unten. Und das führt zu einer Art Kettenreaktion.
"Man kann sich das wie ein Dominoeffekt vorstellen: Sobald der erste Spin von oben nach unten springt, springt auch der zweite um, und zwar von unten nach oben. Daraufhin springt auch der dritte um, der vierte, der fünfte usw. Am Ende kommt das Signal an einem Ausgabeatom an, das wir mit der Spitze unseres Mikroskops auslesen können."
Es fließt also kein Strom wie bei den heutigen Bauelementen, sondern es wird nur noch ein winziges Magnetfeld weitergereicht. Spinlogik, so heißt das Konzept. Und es verspricht gleich mehrere Vorteile.
"Erstens laufen die Prozesse viel schneller als bei der heutigen Elektronik. Zweitens misst unser Bauteil nur ein paar Nanometer, ist also sehr winzig. Und drittens braucht unsere Methode weniger Energie. Es ist eine grüne, eine umweltfreundliche Technik."
Winzig kleine Prozessoren, die extrem schnell sind und kaum Strom verbrauchen – das wäre so etwas wie der heilige Gral der Computerindustrie. Aber zuvor gibt es einiges zu tun. Bislang funktioniert die Methode nur bei -270 Grad, sagt Khajetoorians Chef Professor Roland Wiesendanger.
"Die Anwendungen müssen natürlich eines Tages bei Raumtemperatur funktionieren. Die große Herausforderung ist jetzt, Wechselwirkungen zu nutzen, die auch bei Raumtemperatur diese Spinlogik-Operationen möglich machen."
Deshalb suchen die Physiker nach Materialien, die auch bei gewöhnlichen Temperaturen funktionieren. Offen ist auch noch, wie man Spinlogik-Schaltkreise kostengünstig fertigen könnte. Wiesendanger hofft, dass man sie einfach auf speziellen Unterlagen wachsen lassen könnte, wobei die Unterlage die Form des gewünschten Bauteils vorgibt. Firmen wie IBM jedenfalls haben schon in Hamburg angeklopft, um sich über das neue Konzept zu informieren. Und geht die Forschung so rasant weiter wie bisher, scheinen erste Anwendungen schon in Sicht.
"Es sieht aus wie ein Raumschiff aus einem Comic. Wir mussten das Mikroskop so massiv bauen, um es möglichst gut von seiner Umgebung zu isolieren. Es steht auf einem schwingungsgedämpften Fundament, so dass es nicht stört, wenn in der Nähe die U-Bahn vorbeirumpelt."
Der Amerikaner legt einen Schalter um, aus dem Raumschiff quillt kalter Nebel. Fast könnte man meinen, das Ding hebt gleich ab. Aber:
"Was man da hört, sind die ultrakalten Flüssigkeiten, mit denen wir das Mikroskop kühlen. Wir müssen es nämlich bei extrem niedrigen Temperaturen betreiben."
Und zwar bei -272° Celsius. Rastertunnelmikroskop, so heißt das Spezialgerät. Ähnlich wie ein Plattenspieler tastet eine feine Nadelspitze die Proben ab. Dadurch kann es einzelne Atome nicht nur sichtbar machen, sondern sogar hin- und herschieben. Ein Kran für die Nanowelt, für Gebilde im Maßstab von Millionstel Millimetern. Die Hamburger Physiker haben damit Spektakuläres geschafft. Khajetoorians:
"Wir haben einzelne Atome als Rechnerelemente nutzbar gemacht. Konkret haben wir den Spin der Atome verwendet, um eine grundlegende Computeroperation zu realisieren."
In einem heutigen Mikroprozessor fließt bei jedem Rechenvorgang ein winziger elektrischer Strom. Und da pro Sekunde Milliarden von Schaltvorgängen passieren, fließen auch Milliarden kleiner Stromsignale hin und her. Die Folge: Die Prozessoren laufen heiß und verbrauchen eine Menge Energie. Deshalb setzen Alex Khajetoorians und seine Kollegen auf anderes Konzept. Sie nutzen eine bestimmte Eigenschaft von Atomen, den Spin.
"Atome, die einen Spin besitzen, fungieren wie winzig kleine Kompassnadeln. Und daraus haben wir einen simples Schaltelement für den Computer konstruiert."
Mit ihrem Spezialmikroskop fügen die Forscher Eisenatome zu einer Reihe – wenn man so will Atome im Gänsemarsch. Das Entscheidende: Die Spins der Eisenatome sind abwechselnd angeordnet: Die erste Kompassnadel zeigt nach oben, die zweite nach unten, die dritte wieder nach oben, und so weiter. Ein kurzer magnetischer Schaltimpuls genügt, und die erste Kompassnadel springt um und zeigt nicht mehr nach oben, sondern nach unten. Und das führt zu einer Art Kettenreaktion.
"Man kann sich das wie ein Dominoeffekt vorstellen: Sobald der erste Spin von oben nach unten springt, springt auch der zweite um, und zwar von unten nach oben. Daraufhin springt auch der dritte um, der vierte, der fünfte usw. Am Ende kommt das Signal an einem Ausgabeatom an, das wir mit der Spitze unseres Mikroskops auslesen können."
Es fließt also kein Strom wie bei den heutigen Bauelementen, sondern es wird nur noch ein winziges Magnetfeld weitergereicht. Spinlogik, so heißt das Konzept. Und es verspricht gleich mehrere Vorteile.
"Erstens laufen die Prozesse viel schneller als bei der heutigen Elektronik. Zweitens misst unser Bauteil nur ein paar Nanometer, ist also sehr winzig. Und drittens braucht unsere Methode weniger Energie. Es ist eine grüne, eine umweltfreundliche Technik."
Winzig kleine Prozessoren, die extrem schnell sind und kaum Strom verbrauchen – das wäre so etwas wie der heilige Gral der Computerindustrie. Aber zuvor gibt es einiges zu tun. Bislang funktioniert die Methode nur bei -270 Grad, sagt Khajetoorians Chef Professor Roland Wiesendanger.
"Die Anwendungen müssen natürlich eines Tages bei Raumtemperatur funktionieren. Die große Herausforderung ist jetzt, Wechselwirkungen zu nutzen, die auch bei Raumtemperatur diese Spinlogik-Operationen möglich machen."
Deshalb suchen die Physiker nach Materialien, die auch bei gewöhnlichen Temperaturen funktionieren. Offen ist auch noch, wie man Spinlogik-Schaltkreise kostengünstig fertigen könnte. Wiesendanger hofft, dass man sie einfach auf speziellen Unterlagen wachsen lassen könnte, wobei die Unterlage die Form des gewünschten Bauteils vorgibt. Firmen wie IBM jedenfalls haben schon in Hamburg angeklopft, um sich über das neue Konzept zu informieren. Und geht die Forschung so rasant weiter wie bisher, scheinen erste Anwendungen schon in Sicht.