Forschung -

Studie: Mikrochips mit extrem geringer Leistungsaufnahme

Ein neuer Ansatz zur Steuerung des Magnetismus in einem Mikrochip könnte die Türen zu Speicher-, Computer- und Sensorvorrichtungen öffnen, die drastisch weniger Strom verbrauchen als derzeit vorhandene Versionen.

Der Ansatz könnte auch einige der inhärenten physikalischen Einschränkungen überwinden, die den Fortschritt in diesem Bereich bisher verlangsamt haben.

Forscher am MIT und vom Brookhaven National Laboratory zeigten, dass sie die magnetischen Eigenschaften eines Dünnschichtmaterials einfach durch Anlegen einer kleinen Spannung kontrollieren können.

Die auf diese Weise vorgenommenen Änderungen der magnetischen Ausrichtung bleiben in ihrem neuen Zustand, ohne dass eine dauerhafte Stromversorgung erforderlich ist - im Gegensatz zu den heutigen Standard-Speicherchips.

Das neue Ergebnis wurde in "Nature Materials" veröffentlicht. Autoren sind Geoffrey Beach, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Co-Direktor des MIT Materials Research Laboratory, Doktorand Aik Jun Tan und acht weitere Experten vom MIT und Brookhaven National Laboratory.

Spindoktoren

Da Silizium-Mikrochips bald an grundlegende physikalische Grenzen stoßen, die ihr Vermögen, ihre Fähigkeiten weiter zu steigern und gleichzeitig ihren Stromverbrauch zu senken, begrenzen könnten, haben Forscher eine Vielzahl neuer Technologien erforscht, die diese Grenzen umgehen könnten.

Eine der vielversprechenden Alternativen ist die Spintronik, die die Eigenschaft der Elektronen, den Spin, anstelle ihrer elektrischen Ladung nutzt.

Da Spintronikelemente ihre magnetischen Eigenschaften beibehalten können, ohne dass eine konstante Stromversorgung erforderlich ist, benötigen sie wesentlich weniger Strom für den Betrieb als aktuelle Chips. Außerdem erzeugen sie deutlich weniger Wärme - ein weiterer wichtiger limitierender Faktor für heutige Elektronikkomponenten.

Aber die Spintronik-Technologie leidet unter ihren eigenen Grenzen. Einer der größten fehlenden Bestandteile ist eine Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften eines Materials durch Anlegen einer Spannung einfach und schnell elektrisch zu steuern. Viele Forschungsgruppen auf der ganzen Welt haben sich dieser Herausforderung gestellt.

Bisherige Versuche beruhten auf der Elektronenakkumulation am Interface zwischen einem metallischen Magneten und einem Isolator unter Verwendung einer Elementestruktur ähnlich einem Kondensator.

Die elektrische Ladung kann die magnetischen Eigenschaften des Materials nur geringfügig verändern, was den Einsatz in realen Systemen unpraktisch macht.

Es gab auch Versuche, Ionen anstelle von Elektronen zu verwenden, um die magnetischen Eigenschaften zu verändern. So wurden beispielsweise Sauerstoffionen verwendet, um eine dünne Schicht aus magnetischem Material zu oxidieren, was zu extrem großen Veränderungen der magnetischen Eigenschaften führt.

Durch das Einbringen und Entfernen von Sauerstoffionen quillt und schrumpft das Material jedoch, was zu mechanischen Schäden führt, die den Prozess auf wenige Wiederholungen beschränken und ihn für Computer praktisch nutzlos machen.

Die neuen Ergebnisse zeigen einen Umweg, indem man Wasserstoffionen anstelle der viel größeren Sauerstoffionen nimmt, die in früheren Versuchen verwendet wurden. Da die Wasserstoffionen sehr einfach ein- und austreten können, ist das neue System viel schneller und bietet weitere wesentliche Vorteile, sagten die Forscher.

Da die Wasserstoffionen so viel kleiner sind, können sie in die kristalline Struktur der Spintronikelemente eindringen und aus ihr austreten, wobei sie dessen magnetische Ausrichtung jedes Mal ändern, ohne das Material zu beschädigen.

Tatsächlich hat das Team nun nachgewiesen, dass der Prozess nach mehr als 2.000 Zyklen keinen Materialabbau bewirkt. Und im Gegensatz zu Sauerstoffionen kann Wasserstoff leicht durch Metallschichten hindurchtreten, was es dem Team ermöglicht, die Eigenschaften von Schichten tief in einem Element zu kontrollieren, das auf andere Weise nicht gesteuert werden kann.

"Wenn man Wasserstoff zum Magneten pumpt, dreht sich die Magnetisierung", sagte Tan. "Man kann die Richtung der Magnetisierung durch Anlegen einer Spannung um 90 Grad umschalten - und sie ist vollständig umkehrbar."

Da die Ausrichtung der Magnetpole zur Speicherung von Informationen dient, ist es mit diesem Effekt möglich, Datenbits in Spintronikelemente einfach zu schreiben und zu löschen.

Beach, dessen Labor vor einigen Jahren den ursprünglichen Prozess zur Kontrolle des Magnetismus durch Sauerstoffionen entdeckte, sagte, dass die ersten Erkenntnisse eine breit angelegte Forschung auf einem neuen Gebiet auslöste, das als "magnetische Ionik" bezeichnet wird. Die neuesten Ergebnisse haben dieses Gebiet nunmehr weiter in Bewegung gebracht.

Im Wesentlichen, so Beach, "versuchen ich und das Team, aus einem Transistor ein magnetisches Analog zu machen", das wiederholt ein- und ausgeschaltet werden kann, ohne seine physikalischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Die Entdeckung ist zum Teil durch glückliche Zufälle entstanden. Während Tan mit geschichteten magnetischen Materialien experimentierte, um Wege zu finden, ihr magnetisches Verhalten zu ändern, stellte er fest, dass die Ergebnisse seiner Experimente von Tag zu Tag aus Gründen, die nicht offensichtlich waren, sehr unterschiedlich waren.

Schließlich erkannte man durch die Untersuchung aller Bedingungen während der verschiedenen Tests, dass der Hauptunterschied die Luftfeuchtigkeit war: Das Experiment funktionierte an feuchten Tagen besser als an trockenen.

Der Grund, so erkannte man schließlich, war, dass Wassermoleküle aus der Luft auf der geladenen Oberfläche des Materials in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wurden, und während der Sauerstoff in die Luft entwich, wurde der Wasserstoff ionisiert und drang in das Magnetelement ein - und veränderte dessen Magnetismus.

Das vom Team hergestellte Magnetelement besteht aus einem Sandwich mit mehreren dünnen Schichten, einschließlich einer Kobaltschicht, in der die magnetischen Veränderungen stattfinden, die sich zwischen Metallschichten aus Palladium oder Platin befindet. Hinzu kommt eine Abdeckung aus Gadoliniumoxid, gefolgt von einer Goldschicht, die mit der elektrischen Steuerspannung verbunden ist.

Der Magnetismus wird mit nur einem kurzen Anlegen der Spannung umgeschaltet und bleibt dann unverändert. Das Umkehren erfordert keinerlei Strom, sondern nur einen Kurzschluss des Elementes, während ein herkömmlicher Speicherchip eine konstante Leistung benötigt, um seinen Zustand aufrechtzuerhalten. "Da man nur einen Impuls anlegt, kann der Stromverbrauch erheblich sinken", sagte Beach.

"Die neuen Elemente, mit ihrem geringen Stromverbrauch und ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit, könnten schließlich besonders für Systeme, wie das mobile Computing, nützlich sein, sagte Beach, aber das Forschungsprojekt befindet sich noch in einem frühen Stadium und wird einer weiteren Entwicklung bedürfen.

"Ich kann laborbasierte Prototypen innerhalb weniger Jahre oder schon eher realisieren", sagte er. Die Herstellung einer vollständigen und funktionierenden Speicherzelle ist "ziemlich komplex" und kann länger dauern, sagte er.

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