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Magnetische Speicher für Computer

Ausgerichtete Elektronenspins / Wesentlich schnellerer Zugriff als bei Festplatten

Von Rainer Scharf

Elektronen spielen in Halbleiter-Bauelementen die entscheidende Rolle. Mit ihrer Hilfe werden Informationen gespeichert, übertragen und verarbeitet. Bislang hat man dazu nur die elektrische Ladung dieser Teilchen ausgenutzt. Die Elektronen besitzen aber auch einen Spin, der in Richtung eines Magnetfelds oder entgegengesetzt zeigen kann. Unter dem Namen Spintronik hat sich in den vergangenen Jahren eine Forschungsrichtung etabliert, die den Elektronenspin für die Mikroelektronik nutzbar machen will.

Eine Datenverarbeitung mit Spins hätte zahlreiche Vorteile. So kann man Spins durch Magnetfelder leichter beeinflussen und steuern, als dies mit elektrischen Feldern bei Ladungen möglich ist. Die in den Spins gespeicherte Information ist außerdem wesentlich weniger anfällig gegen äußere Störungen als die Information, die mit Hilfe von elektrischen Ladungen gespeichert ist. Auch könnten Daten mit viel größerer Geschwindigkeit verarbeitet werden. Die Bauelemente ließen sich beträchtlich verkleinern und würden zudem deutlich weniger Energie verbrauchen.

Schon seit langem nutzt man den durch die Elektronenspins bedingten Magnetismus, um Daten auf Computerfestplatten zu speichern. Ein erster Schritt hin zur Spintronik sind die jetzt gebräuchlichen hochempfindlichen Leseköpfe für magnetische Festplatten, die den sogenannten Riesenmagnetwiderstand ausnutzen. Sie enthalten drei übereinandergestapelte dünne Schichten aus unterschiedlichen Metallen, von denen die beiden äußeren ferromagnetisch sind. Der Schichtstapel wird über die magnetisierten Bereiche der Festplatte geführt. Dabei wechselt die der Festplatte zugewandte Schicht ihre Magnetisierungsrichtung, während die Magnetisierungsrichtung der anderen festliegt. Sind die beiden Schichten gleichgerichtet magnetisiert, so können sich die Elektronen in der Schichtfolge besonders gut bewegen, und es fließt ein starker Strom. Bei entgegengesetzter Magnetisierung ist der elektrische Widerstand wesentlich größer und der Strom schwächer.

Mit einem Stapel magnetischer Schichten kann man indes mehr machen, als die Magnetisierungsmuster auf einer Festplatte "lesen". So kann man den Strom, der senkrecht durch den Stapel fließt, steuern, indem man die Magnetisierungsrichtung einer der beiden magnetischen Schichten verändert. Je nachdem, wie die Magnetisierung ausgerichtet ist, fließt ein mehr oder weniger großer Strom. An der Stromstärke läßt sich somit ablesen, in welchem Zustand sich der Schichtstapel befindet. Der Stapel wird damit zu einem Informationsspeicher. Auch wenn kein Strom mehr fließt, bleibt die Magnetisierung der Schichten erhalten, und die gespeicherte Information geht nicht verloren. Nach diesem Prinzip arbeitet der sogenannte MRam ("Magnetoresistive Random Access Memory"), ein magnetischer Arbeitsspeicher, der in einigen Jahren Marktreife erreichen soll. Er erlaubt einen zehntausendmal so schnellen Zugriff auf gespeicherte Daten wie eine Computerfestplatte.

Andere mögliche Bauelemente der Spintronik liegen noch in ferner Zukunft. Verschiedene Forschergruppen arbeiten an einem Spintransistor, mit dem man Ströme auf neuartige Weise steuern kann. Dazu wollen sie elektrische Ströme erzeugen, in denen alle Elektronenspins in dieselbe Richtung zeigen, und diese Ströme in eine Halbleiterschicht injizieren. In der Schicht könnten die Spins dann zum Beispiel mit Hilfe eines elektrischen Feldes in eine gewünschte Richtung gedreht werden. Auf der anderen Seite der Halbleiterschicht träfen die Elektronen auf ein magnetisches Material, das nur Elektronen mit einer bestimmten Spinrichtung durchläßt. Auf diese Weise könnte man den Elektronenstrom mit Hilfe des Spins steuern.

Noch stößt es allerdings auf große Schwierigkeiten, einen Elektronenstrom mit ausgerichteten Spins zu erzeugen und die Spins sicher in die Halbleiterschicht zu bringen. Legt man an ein ferromagnetisches Metall wie Eisen eine Spannung an, so erhält man zwar einen Strom mit teilweise ausgerichteten Spins. Aber beim Übergang der Elektronen von der Metall- in die Halbleiterschicht geht die Ausrichtung größtenteils verloren, da Metall und Halbleiter im allgemeinen zu unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben. Deshalb versuchen die Forscher, die Metallschicht durch eine Schicht aus einem magnetischen Halbleiter zu ersetzen. In diesem Fall können die Elektronen leichter von einer Schicht in die andere gelangen. Doch die bisher gefundenen magnetischen Halbleiter wie mangandotiertes Galliumarsenid sind nur bei außerordentlich tiefen Temperaturen ferromagnetisch. Andere Forscher versuchen, die Elektronen mit ausgerichteten Spins direkt in der nichtmagnetischen Halbleiterschicht zu erzeugen, indem sie diese mit polarisiertem Licht bestrahlen.

Ein Fernziel der Spintronik ist der Bau eines Quantencomputers. Dazu müßte man einzelne Elektronenspins von störenden äußeren Einflüssen abschirmen, sie gezielt beeinflussen, mit anderen Spins in Wechselwirkung treten lassen und schließlich den resultierenden Quantenzustand der Spins bestimmen. Neben Elektronenspins könnte man auch die Spins von Atomkernen benutzen, die besonders gut vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Die Elektronenspins würden mit den Kernspins in Wechselwirkung treten und auf diese Weise einen Informationsaustausch zwischen den Kernspins ermöglichen. Ob ein Quantencomputer jemals gebaut wird, ist zwar noch ungewiß. Daß die Spintronik die Mikroelektronik revolutionieren kann, zeichnet sich aber jetzt schon ab. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 10.04.2002, Nr. 83 / Seite N2

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