Antiferromagnetische Materialien ermöglichen Datenverarbeitung mit Terahertz-Tempo

| Redakteur: Michael Eckstein

Blitzschnell: Antiferromagnetische Speicher lassen sich mit Lichtimpulsen direkt beschreiben.
Blitzschnell: Antiferromagnetische Speicher lassen sich mit Lichtimpulsen direkt beschreiben. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Neuartige Speicher lassen sich viel schneller und dichter beschreiben als bisherige magnetbasierte Massenspeicher – bei gleichzeitig deutlich geringerem Energieeinsatz.

Glasfaserkabel können Daten im Terahertz-Tempo von A nach B transportieren. Doch am Ende ihrer Reise müssen sie auf die Geschwindigkeit der weiterverarbeitenden Baugruppen und Komponenten gebremst werden. Diese arbeiten derzeit mit maximal einigen hundert Gigahertz. Typische Endgeräte liegen noch einmal deutlich darunter. Besonders die Speichermedien sind immer wieder ein limitierender Faktor. Um die Lücke zwischen Übertragungs- und Verarbeitungstempo zu schließen, haben Forscher der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik mit Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) eine Technik entwickelt, die das Verarbeiten der Daten um etwa das Hundertfache erhöhen soll.

Schlüsselkomponente der neuen Technik sind antiferromagnetische Speicher. Zum besseren Verständnis zunächst das Prinzip herkömmlicher magnetischer Datenspeicher auf Basis ferromagnetischer Materialien: Diese speichern Bits in Form winziger Stabmagneten, die je nach Ausrichtung für eine Null oder eine Eins stehen. Stehen diese magnetischen Elemente zu nah beieinander, beeinflussen sie sich gegenseitig. Daher lassen sie sich nicht beliebig dicht packen – die Kapazität stößt an eine natürliche Grenze. Hinzu kommt, dass auch die Schreibgeschwindigkeit, mit der sich die Elemente ausrichten lassen, limitiert. Hier gilt: Je schneller ein Schreibvorgang sein soll, desto mehr Energie muss man dafür aufwenden. Aktuell ist im Gigahertzbereich Schluss.

Antiferrogmagnetische Speicher schließen die Terahertz-Lücke

Antiferromagnetischen Speicher lassen sich hingegen deutlich schneller und dichter beschreiben. Denn die „Stabmagneten“ liegen abwechselnd ausgerichtet auf dem Träger und beeinflussen sich somit nicht gegenseitig. Dadurch ist eine höhere Datendichte möglich. Gleichzeitig lösen sie auch das Problem der limitierten Schreibgeschwindigkeit.

„Daten – etwa Bilder einer Fußball-Übertragung – werden auf schnellen Verbindungen als Lichtimpulse via Glasfaserkabeln versendet“, erläutert Prof. Dr. Jairo Sinova, Leiter der Gruppe „Interdisciplinary Spintronics Research“ der JGU. Durch Verwendung von antiferromagnetischen Speichern sei es nun erstmals möglich, die Daten im Terahertz-Bereich zu verarbeiten. Die Signale müssten also am Gerät also nicht mehr verlangsamt werden.

Die jetzigen Ergebnisse basieren auf Forschungen, die die Wissenschaftler bereits 2014 begonnen haben. Sie schickten einen elektrischen Strom durch die Antiferromagneten und richteten die einzelnen Speichereinheiten darauf auf diese Weise aus. Dazu nutzten sie ein Kupferkabel – im Vergleich zur Glasfaser also eine recht langsame Verbindungsweise. „Statt des Kabels nutzen wir nun einen kurzen Laserpuls, über den wir einen elektrischen Strom induzieren. Dieser Strom richtet die 'Stabmagneten', also die Spins, aus“, erklärt Sinova.

Der neue Speicher arbeitet kabellos. Statt einen elektrischen Strom direkt anzulegen, induziert man diesen durch Licht. Auf diese Weise konnten die Forscher die Geschwindigkeit drastisch erhöhen. „Damit haben wir die Basis dafür gelegt, dass künftig auch Ultra-High-Definition-Bilder ruckelfrei beim Nutzer ankommen“, blickt Sinova voraus.

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