Spintronik: Innovative Kristalle für die Computerelektronik der Zukunft

Moderne Computer sind zwar schon sehr schnell, verbrauchen aber auch Unmengen an Strom. Seit einigen Jahren wird viel über eine neue Technologie gesprochen, die, obwohl sie noch in den Kinderschuhen steckt, eines Tages die Computertechnik revolutionieren könnte – die Spintronik. Das Wort ist ein Kunstwort aus „Spin“ und „Elektronik“, denn bei diesen Bauteilen fließen nicht mehr Elektronen durch Computerchips, sondern der Spin der Elektronen dient als Informationsträger. Ein Forscherteam mit Mitarbeitern der Goethe-Universität Frankfurt hat nun Materialien identifiziert, die überraschend schnelle Eigenschaften für die Spintronik haben. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin „ Nature Materials “ veröffentlicht.

„Man muss sich die Elektronenspins wie winzige Magnetnadeln vorstellen, die an den Atomen eines Kristallgitters befestigt sind und miteinander kommunizieren“, sagt Cornelius Krellner, Professor für Experimentalphysik an der Goethe-Universität Frankfurt. Wie diese Magnetnadeln miteinander reagieren, hängt grundsätzlich von den Eigenschaften des Materials ab. Bisher wurden ferromagnetische Materialien vor allem in der Spintronik untersucht; bei diesen Materialien zeigen – ähnlich wie bei Eisenmagneten – die Magnetnadeln bevorzugt in eine Richtung. In den letzten Jahren rückten jedoch sogenannte Antiferromagnete stärker in den Fokus, da diese Materialien eine noch schnellere und effizientere Schaltbarkeit ermöglichen sollen als andere Spintronik-Materialien.

Bei Antiferromagneten zeigen die benachbarten Magnetnadeln immer in entgegengesetzte Richtungen. Wenn eine atomare Magnetnadel in eine Richtung geschoben wird, dreht sich die benachbarte Nadel in die entgegengesetzte Richtung. Das wiederum bewirkt, dass der übernächste Nachbar wieder in die gleiche Richtung wie die erste Nadel zeigt. „Da dieses Zusammenspiel sehr schnell und nahezu ohne Reibungsverluste erfolgt, bietet es erhebliches Potenzial für völlig neue Formen elektronischer Bauelemente“, erklärt Krellner.

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Vor allem Kristalle mit Atomen aus der Gruppe der Seltenen Erden gelten als interessante Kandidaten für die Spintronik, da diese vergleichsweise schweren Atome über starke magnetische Momente verfügen – Chemiker nennen die entsprechenden Zustände der Elektronen 4f – Orbitale. Zu den Metallen der seltenen Erden – die teilweise weder selten noch teuer sind – gehören Elemente wie Praseodym und Neodym, die auch in der Magnettechnik Verwendung finden. Insgesamt hat das Forscherteam nun sieben Materialien mit unterschiedlichen Seltenerdatomen untersucht, von Praseodym bis Holmium.

Das Problem bei der Entwicklung von Spintronik-Materialien ist, dass für solche Bauteile perfekt designte Kristalle benötigt werden, da sich kleinste Abweichungen sofort negativ auf die gesamte magnetische Ordnung im Material auswirken. Hier kam die Expertise in Frankfurt ins Spiel. „Die Seltenen Erden schmelzen bei etwa 1000 Grad Celsius, aber das auch für den Kristall benötigte Rhodium schmilzt erst bei etwa 2000 Grad Celsius“, sagt Krellner. „Deshalb funktionieren hier herkömmliche Kristallisationsmethoden nicht.“

Stattdessen verwendeten die Wissenschaftler heißes Indium als Lösungsmittel. Darin lösen sich bei etwa 1500 Grad Celsius die Seltenen Erden sowie das benötigte Rhodium und Silizium. Der Graphittiegel wurde etwa eine Woche auf dieser Temperatur gehalten und dann leicht abgekühlt. Als Ergebnis wuchsen die gewünschten Kristalle in Form dünner Scheiben mit einer Kantenlänge von zwei bis drei Millimetern. Diese wurden dann vom Team mit Hilfe von Röntgenstrahlen untersucht, die am Berliner Synchrotron BESSY II und an der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz erzeugt wurden.

„Die wichtigste Erkenntnis ist, dass in den von uns gezüchteten Kristallen die Atome der Seltenen Erden sehr schnell magnetisch miteinander reagieren und dass sich die Stärke dieser Reaktionen durch die Wahl der Atome gezielt einstellen lässt“, sagt Krellner. Das öffnet den Weg für weitere Optimierungen – schließlich ist die Spintronik noch reine Grundlagenforschung und Jahre von der Produktion kommerzieller Bauelemente entfernt.

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Auf dem Weg zur Marktreife sind jedoch noch viele Probleme zu lösen. So überzeugen die in glühender Hitze hergestellten Kristalle erst bei Temperaturen unter minus 170 Grad Celsius mit ihren magnetischen Eigenschaften. „Wir vermuten, dass sich die Betriebstemperaturen durch Zugabe von Eisenatomen oder ähnlichen Elementen deutlich erhöhen lassen“, sagt Krellner. „Aber ob die magnetischen Eigenschaften dann genauso positiv sind, bleibt abzuwarten.“ Dank der neuen Ergebnisse können die Forscher nun aber besser einschätzen, wo es sinnvoll ist, Parameter zu verändern.

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von der Goethe-Universität Frankfurt . Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.