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Spintronik – Mit dem richtigen Dreh rechnen

Kohlenstoffnanoröhrchen

Computer und Elektronik sind die Grundlagen der modernen Informationsverarbeitung, vom Mobiltelefon bis hin zur Kreditkartenabrechnung. Bits und Bytes laufen dabei als Elektronen-Ladung zwischen Transistoren, Speicher und Festplatten hin und her. Dagegen bisher kaum genutzt wird die zweite wichtige Eigenschaft des Elektrons: sein Spin oder Eigendrehimpuls, auf dem die magnetischen Eigenschaften der Materie aufbauen.

Computerbauteile aus der sogenannten Spintronik könnten in mittelfristiger Zukunft weniger Energie verbrauchen und schneller rechnen als heutige Komponenten. Und im Gegensatz zu heutigen Chips bleibt die in ihnen gespeicherte Information auch erhalten, wenn die Computer ausgeschaltet sind — das zeitaufwendige „booten“ entfällt.

Jülicher Forscher entwickeln Materialien und Prozesse, die auf der quantenmechanischen Ebene zwischen elektrischen und magnetischen Eigenschaften vermitteln. Mittels Supercomputern und mathematischen Modellen loten sie die atomaren Wechselwirkungen in Kristallen aus. Hochauflösende Licht- und Elektronenmikroskope, Neutronen- und Synchrotronexperimenten geben Einblick in die Materie. In modernen Hochvakuumkammern schichten Wissenschaftler Atomlage für Atomlage verschieden Elemente so auf, dass Proben mit einzigartigen magnetischen Eigenschaften entstehen – etwa Spinventile, die aus einem Strom von Elektronen diejenigen mit passendem Spin filtern. Oder Schalter zwischen magnetischen Zuständen, die auf kleinste elektrische Spannungen oder Ströme reagieren.

Dabei ist die Spintronik keine ferne Zukunftsmusik mehr. Schon heute nutzen die Leseköpfe von Festplatten spinbasierte Effekte, um Gigabytes an Daten auf der Fläche eines Daumennagels zu finden. Die Grundlagen dazu und damit die der Spintronik wurden in Jülich gelegt: Den sogenannten GMR-Effekt in heutigen Festplatten hat der Jülicher Peter Grünberg vor mehr als 20 Jahren entdeckt und wurde dafür im Jahre 2007 mit den Physik-Nobelpreis geehrt.

Das 'Schweizer Taschenmesser' der NanoelektronikIn Vakuumanlagen werden Proben für die Spintronik hergestellt. Über Manipulatoren und Probenkarussel können verschieden Proben in einer Kammer untersucht werden
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