Physiker der Saar-Universität entwickeln neue Computerchips

Kostenpflichtiger Inhalt: Spin-Elektronik : Saar-Uni forscht am Mikrochip der Zukunft

Eine völlig neuartige Technik der digitalen Datenverarbeitung zeichnet sich ab: die Spin-Elektronik. Physiker der Saar-Universität sind bei ihrer Entwicklung dabei. Ihr Forschungskonsortium wird mit 1,6 Millionen Euro gefördert.

Der Prozessor unseres Smartphones, die Zündung in unserem Auto und jeder beliebige Sensor im Haushalt haben eines gemeinsam: viel Elektronik. Und deren Schaltkreise arbeiten alle nach demselben Prinzip. Durch ihre Register, Speicherzellen und Leiterbahnen bewegen sich Elektronen. Diese negativ geladenen Elementarteilchen sind die physikalische Basis der binären Logik aus „1“ (Elektronen vorhanden) und „0“ (keine Elektronen vorhanden). Sie liegt allen heutigen Computerprogrammen zugrunde.

Heutige Elektronik nutzt ausschließlich die Bewegung dieser elektrischen Ladungsträger. „Elektronen haben aber noch eine weitere wichtige Eigenschaft, den sogenannten Spin“, erklärt Professor Uwe Hartmann. „Spin“ bedeutet wörtlich übersetzt „Drehung“, auch der Begriff „Drehimpuls“ wird verwendet – was aber nicht wörtlich zu verstehen ist. Elektronen drehen keine Pirouetten, ihr Spin ist eine quantenphysikalische Eigenschaft, erklärt der Physiker der Universität des Saarlands.

Der Spin wird über seine Wechselwirkung mit Magnetfeldern gemessen. Er kann aber nur zwei Werte annehmen, die Physiker nennen sie „up“ und „down“. Das passt wieder prima zum dualen Zahlensystem, auf dem unsere digitale Welt fußt und das auch nur zwei Zustände kennt. Weil der Spin eines Elektrons außerdem völlig unabhängig von der Stromversorgung eines Computerchips ist, sehen die Physiker hier eine ideale Möglichkeit für die Entwicklung einer extrem robusten Elektronik, die weniger Energie als heutige  Chips verbraucht, weniger Abwärme produziert, in der Speicher niemals Daten verlieren und Sensoren mit beinahe grenzenloser Genauigkeit messen können. Mit anderen Worten: Die Spinelektronik gilt als eine wichtige Zukunftstechnologie. Die Universität des Saarlands ist bei ihrer Entwicklung dabei. Ein vom Saarbrücker Physiker geleitetes Forschungskonsortium mehrerer deutscher Hochschulen und Unternehmen erhält für ein Projekt der Spinelektronik vom Bundesforschungsministerium 1,6 Millionen Euro (wir haben berichtet).

Das Thema Spinelektronik gehört in die Kategorie Grundlagenforschung. In vier Jahren – so lange läuft das jetzt gestartete Projekt des Bundesforschungsministeriums – könnte es erste Prototypen geben, erklärt der Saarbrücker Physiker. Auch andere Forschergruppen verfolgen weltweit eine ganze Reihe Ideen und Projekte zu diesem Thema, zum Beispiel im Maschinenbau und der Medizintechnik. „Wir könnten Smartphones bauen, die viel weniger Energie benötigen.“ Auch wenn erste Produkte, zum Beispiel Speicherbausteine für Spezialcomputer beim Militär und in der Luftfahrt bereits angeboten werden, „sind wir im Grunde heute da, wo auch die Konstrukteure des Quantencomputers stehen: am Anfang einer langen Entwicklung“, erklärt Uwe Hartmann.

Das Forschungskonsortium der Saar-Universität, zu ihm gehören außer mehreren Unternehmen auch die Universitäten Halle-Wittenberg und Bielefeld, hat sich die Entwicklung eines Sensors zum Ziel gesetzt, der mit höchster Empfindlichkeit Magnetfelder registrieren soll. Einsatzgebiete sieht Uwe Hartmann unter anderem in der medizinischen Diagnostik, in der Geophysik, im Automobilbau und in der Lebensmittelindustrie. „Wir könnten damit schon kleinste Verunreinigungen in einem Produkt erkennen.“

Den Spin auf atomarer Ebene haben Physiker bereits vor einem Jahrhundert entdeckt. Wir kennen seine Auswirkungen auch aus unserem Alltag, denn er ist die Ursache des Magnetismus. Obwohl diesbe Eigenschaft der Elementarteichen schon lange bekannt ist, wurde der Elektronenspin lange Zeit nicht weiter beachtet, denn er ließ sich nicht nutzen, erklärt der Saarbrücker Physik-Professor. „Die dafür nötige Technik gibt es erst seit dem Ende des vergangenen Jahrhunderts.“ Seitdem habe die Entwicklung jedoch große Fortschritte gemacht. „Wir haben jetzt einen richtigen Lego-Baukasten aus spin-empfindlichen Materialien und Messwerkzeugen.“

Daraus wollen sich die Wissenschaftler des Forschungsverbunds der Saar-Universität bedienen und einen superminiaturisierten Magnetfeld-Sensor entwickeln. Die eigentliche Messung läuft in diesem Chip  in einem nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünnen Messstreifen ab. Der Sensor nutzt die Tatsache, dass der Elektronenspin von Magnetfeldern beeinflusst wird und setzt bei der Messung des Effekts auf ein trickreiches Verfahren, das Fotografen vom Polarisationsfilter ihrer Objektive kennen. Ein solcher Filter lässt vorzugsweise Elektronen einer Spin-Orientierung passieren und ermöglicht es so, Stärke und Richtung eines Magnetfeldes mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, erklärt Hartmann.

Mindestens so wichtig, wie die Genauigkeit sei aber die Tatsache, dass sich der Messfühler extrem verkleinern lässt. Die gesamte Schaltung passe bereits heute auf einen Chip von einem Quadratmillimeter Größe. Theoretisch sei es möglich, dieses Bauteil auf eine Fläche von ungefähr 100 Quadratmikrometern (ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter) zu schrumpfen. „In einer Hand hätten damit ohne weiteres viele Millionen solcher Sensoren Platz.“

Und wie steht’s um die Stromversorgung eines solchen Mikro-Mikrochips? Weil für die Magnetfeldmessung nur eine minimale Menge elektrischer Energie benötigt wird, könnte ein solcher Chip theoretisch Strom aus dem Elektrosmog, der allgegenwärtigen elektromagnetischen Hintergrundstrahlung unserer Smartphone-Welt, gewinnen. Sogar kommunizieren, wenn auch nur über winzige Distanzen, können die weniger als ein Staubkorn großen Sensoren. „Smart Dust“ heißt das Schlagwort dieser technologischen Revolution. Doch das greift jetzt sehr weit in die Zukunft. Heute gehört der „Intelligente Staub“ noch in die Kategorie Science fiction. „Davon“, sagt Uwe Hartmann schmunzelnd, „sind wir dann doch noch ziemlich weit entfernt. In 50 Jahren können wir über dieses Thema noch einmal reden.“