Spintronik für flotte Speicher

Vier Dinge braucht man, um ein Rechenelement zu bauen, aus dem ein Computer werden kann: Einen Inverter, der aus logisch Null eines Eins macht und umgekehrt, ein UND-Gatter, das zwei Eingänge logisch bewertet, Signalverdoppler und Signalleitungen, die sich störungsfrei kreuzen können. Für die herkömmliche Mikroelektronik ist alles das natürlich längst gegeben, und jetzt, sagt Russell Cowburn, Professor für Nanotechnologie am Imperial College in London, kann man es auch für die Spintronik, das Rechnen und Speichern mit Elektronenspins, haben:

"Die Machbarkeit ist bewiesen, wir haben einen Datenstrom in einen Nanospeicherring geschickt, stundenlang kreisen lassen und dann wieder ausgelesen. Und wir haben ziemlich detaillierte Modelle, wie sich das hochskalieren ließe, und wir haben Vergleiche mit Festplatten, Flashkarten und Multisondenspeichern angestellt, und die fielen sehr ermutigend aus. Wir können größere Datenmengen mit geringeren Kosten und weniger Energieverbrauch speichern."

Spintronic-Speicher, in kleine Kameras integriert, könnten so etwa viele Stunden Videomaterial aufnehmen. Professor Cowburn und Mitarbeiter nutzen dabei weniger elektrische Ströme und Spannungen als vielmehr den Elektronenspin, eine Art Eigendrehung des Elektrons, das ein Magnetfeld erzeugt. Unter bestimmten Umständen richten sich diese Magnetfelder über eine größere Fläche einheitlich aus, man spricht von einer Domäne. Dort, wo Flächen unterschiedlich ausgerichteter Domänen aufeinander stoßen, entsteht eine Domänenwand. Es sind solche Domänenwände, die sich in Cowburns Spintronik als Signale bewegen, Ausrichtung Logisch Eins und Logisch Null werden jetzt von der Richtung der Magnetisierung getragen, und zwar in nanoskaligen Drähten aus einem altbekannten Material. Cowburn:

"Das ist eine Eisen-Nickel-Legierung, Permalloy genannt, ein schon seit den 1940ern bekanntes Material, in der Form von Nanodrähten. In denen schieben wir mit einem rotierenden Magnetfeld Domänenwände herum, das wird elektronisch erzeugt, wir haben keine bewegten Teile. Die Nanodrähte kann man sich wie Führungsschienen für Domänenwände vorstellen."

Wenn sich zwei Nanodrähte senkrecht überkreuzen, können sich deren Domänenimpulse störungsfrei durchdringen, selbst wenn ihr Material an der Kreuzung zusammenfließt. Der für Logikbausteine notwendige Inverter wiederum lässt sich ganz einfach in der Gestalt einer nanoskopischen Wünschelrute realisieren. Diese Spintronik sollte sich mithin zweidimensional und damit lithographisch wesentlich einfacher als die herkömmliche Elektronik realisieren lassen. Die Magnetfelder wiederum, die die Domänenwände treiben, können ein Stück in die dritte Dimension tasten und steuern, so dass Spintronikspeicher aus einem Treiberchip mit mehreren Speicherebenen darüber bestehen könnten. Cowburn:

"Wir haben ein in der Ebene rotierendes Magnetfeld, das wir ganz leicht modulieren, und so können wir Daten in den Speicher schreiben. Und wir haben einen Chip mit mehreren Speicherebenen realisiert, die wir einzeln exakt adressieren können. Da gibt es Parallelen zum Gehirn, das ja auch im Dreidimensionalen funktioniert und deshalb so gut ist."

Als möglich Datentransferrate geben die Londoner fantastische drei Gigabyte pro Sekunden an, möglich durch den parallelen Zugriff der Spintronik. Cowburn:

"Bei konventionellen Festplatten gibt es einen Flaschenhals, den Schreib-/Lesekopf, der nur auf einen Punkt der Festplatte Zugriff hat, wie die Nadel eines alten Plattenspielers. Und jedes Bit muss da durch, das begrenzt die Datenübertragungsrate. Vielpunktköpfe wären zu teuer. Bei Festkörperlösungen wie unseren Spintronikelementen kann man zehntausend Zugriffspunkte für das Schreiben und Lesen realisieren, und das läuft auf enorm hohe Datenübertragungraten hinaus."

Was jetzt zur Markteinführung noch fehle, sagt Russell Cowburn, sei nur noch die übliche Entwicklungsarbeit, die Machbarkeit sei bewiesen. Spintronik mache die herkömmliche Elektronik auch keinesfalls überflüssig, sie sei aber eine sehr gute Ergänzung.