Forschung -

Elektronenspin als Energiequelle für Elektronikgeräte

Mit Hinblick auf das Interesse an Elektronikgeräten, die nur eine minimale Aufladung im Feld erfordern, nutzt die 'University of Texas at San Antonio' (UTSA) Prinzipien der Quantenwissenschaft und -technik, um ein graphenbasiertes Logikelement zu entwickeln. Diese neue Technologie wird die Energieeffizienz batterieabhängiger Geräte vom Handy bis zum Computer erheblich verbessern.

"Wir entwickeln Elemente, die nahezu batterielos betrieben werden können", sagte Ethan Ahn, UTSA-Assistenzprofessor für Elektrotechnik.

UTSA-Ingenieure nutzen die Spintronik, die intrinsische quantenmechanische Eigenschaft eines Elektrons, genannt Spin, um einen low-power Betrieb mit einer möglichen Anwendung in der Quantencomputertechnik zu realisieren.

"Ein Elektron ist ein kleiner, aber sehr starker Magnet", sagte Ahn. "Man stelle sich vor, ein Elektron dreht sich um seine eigene Achse, entweder nach oben oder unten."

Herkömmliche technische Geräte nutzen die elektronische Ladung von Elektronen zur Energiegewinnung. In der Spintronik erschließen die Forscher den inhärenten Elektronenspin als neue Energiequelle. Mit diesem neuen Ansatz werden Geräte für ihre Funktion weniger Elektronen benötigen.

Es gibt jedoch Hürden, um die Spinkraft zu nutzen. Bei der Quanteninformatik, die den Elektronenspin zur Informationsübertragung nutzt, besteht die Herausforderung für die Forscher darin, den Spin so effizient wie möglich zu erfassen.

"Wenn man 100 Elektronen in den Kanal einspeist, um die nächste Logikschaltung zu betreiben, kann man nur ein oder zwei Spins verwenden, da der Injektionsgrad sehr niedrig ist. Das sind 98 Prozent Spinverlust", sagte Ahn.

Um den Spinverlust zu vermeiden, entwickelte Ahn die neue Idee des "Zero-Power Carbon Interconnect", bei dem Nanomaterialien sowohl als Spin-Transportkanal als auch als Tunnelbarriere verwendet werden.

Diese Nanomaterialien sind wie ein Blatt Papier, eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen von nur wenigen Nanometern Dicke. Sie sind der Kontaktpunkt, an dem die Spininjektion in das Element erfolgt. Ahns Prototyp ist eine Verbindung, die mit einer reduzierten Graphenoxidschicht aufgebaut ist.

"Es ist neu, weil wir Graphen, ein Nanomaterial, verwenden, um die Spininjektion zu verbessern. Durch die Bestimmung der Oxidmenge auf den Graphenschichten können wir die Leitfähigkeit der Elektronen genau festlegen", sagte Ahn.

Graphen hat eine große Anziehungskraft, weil es das stärkste Nanomaterial der Welt ist. In der Tat ist die Raumtemperaturleitfähigkeit von Graphen höher als bei jedem anderen bekannten Material.

Im Erfolgsfall würde die Nullenergie-Kohlenstoffverbindung, die Ahn mit seinen Kollegen an der 'UT-Austin' und 'Michigan State University' entwickelte, in die Logikkomponente eines Computerchips integriert werden.

Diese Verbindungstechnologie könnte auch für den Bereich des Cloud-Computings von großem Nutzen sein. Laut 'Data Knowledge Center' verbrauchen on-demand Cloud-Computingplattformen wie 'Amazon Web Services' allein etwa zwei Prozent der Energie der USA.

Wenn die Nullenergie-Kohlenstoffverbindung erfolgreich ist, könnten Cloud-Server, wie Netflix oder Datenhosts, schneller und mit weniger Energie betrieben werden.

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