Wie man blinden Magneten das sehen beibringt und dadurch schnellere Computer möglich macht

Dieser Text entstand im Rahmen des Klaus-Tschira-Preises  für verständliche Wissenschaft. Hier schreiben Promovierte über ihre Doktorarbeit. Nur die Gewinnertexte wurden in Bild der Wissenschaft veröffentlicht. Es sind aber noch viele weitere hervorragende Texte darunter gewesen. Einigen von diesen wird in den Scilogs nun auch ein Platz in Form von Gastbeiträgen eingeräumt. Initiiert von Anna Müllner, die selbst am Preis teilnahm, hier bei den Scilogs bloggt und es schade fand, dass so viele spannende Geschichten über Wissenschaft nicht den Weg in die Öffentlichkeit fanden. Die Artikel findet ihr gesammelt hier, sie werden hintereinander veröffentlicht.

Einer dieser Texte ist von Leonard Henrichs. Leonard Henrichs ist seit 2016 Postdoc am Institut für angewandte Geowissenschaften am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er hat an der Uni Bonn Chemie studiert und anschließend an der Universität Leeds in England am Institute for Materials Research promoviert. Hier war er Teil des internationalen Training Netzwerks NANOMOTION der EU Kommission. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich keramische Materialien, Piezoelektrizität, Magnetismus und (Nano)Charakterisierung.

Lest selbst:

Wie man blinden Magneten das sehen beibringt und dadurch schnellere Computer möglich macht

Damit die rasante Entwicklung von Computern kein baldiges Ende nimmt, müssen neue Materialien für Computerchips entwickelt werden. Die Entdeckung eines magnetischen Materials das sich durch elektrische Felder beeinflussen lässt, macht nun schnellere und effizientere Computerchips möglich.

Seit Beginn des Computerzeitalters verheißt eine Regel permanenten technischen Fortschritt. Es handelt sich um das sogenannte Mooresche Gesetz, welches besagt, dass sich die Leistungsfähigkeit von Computern etwa alle 18 Monate verdoppelt. Der Ingenieur Gordon Moore hatte es bereits 1965 aufgestellt und es stimmt bis heute erstaunlich gut mit der wirklichen Entwicklung überein. In jüngster Vergangenheit mehren sich jedoch die Anzeichen, dass es mit diesem exponentiellen Anstieg der Leistungsfähigkeit erst einmal vorbei ist. Dies wird von großen Technologiekonzernen wie Intel bestätigt. Der Grund ist, dass die bestehenden Technologien die auf Silizium basieren fast ausgereizt sind und wenig Spielraum für technische Weiterentwicklungen bieten.

Diese Entwicklung ruft neue Technologien auf den Plan, die auf völlig neuen Materialien und Prinzipien beruhen. Genau hier setzte meine Doktorarbeit an im Rahmen derer ich erstmals eine bestimmte Art der Schaltung von potentiellen Informationsträgern beobachten konnte, die schnellere und effizientere Computerchips und Prozessoren ermöglicht. Diese Schaltung konnte ich in einem sogenannten multiferroischen Materialien beobachten. Aber was sind multiferroische Materialien? Die kurze Antwort ist: Multiferroische Materialien haben sowohl magnetische als auch ferroelektrische Eigenschaften. Diese Erklärung mag nicht besonders hilfreich sein, da das Wort ferroelektrisch wahrscheinlich ebenso unbekannt ist wie multiferroisch. Fangen wir mit der Erklärung erst einmal bei den bekannten Magneten an, die wissenschaftlich korrekt auch als Ferromagneten bezeichnet werden. In der Kristallstruktur eines solchen Ferromagneten gibt es unzählige winzige Magnete die auch als magnetische Dipole bezeichnet werden. Diese richten sich in einem Ferromagneten wie die Nadel eines Kompasses alle in die gleiche Richtung aus, sodass eine geordnete Struktur der Dipole entsteht. Bei einem Ferroelektrikum hat man ebenfalls eine geordnete Struktur mikroskopisch kleiner Dipole, mit dem Unterschied, dass es sich nicht um magnetische, sondern um elektrische Dipole handelt. Bei einem multiferroischen Material, liegen nun beide Arten von Dipolen nebeneinander vor, was äußerst selten ist.

Ein wesentliches Problem der Multiferroika ist jedoch, dass diese normalerweise nur sehr schwach magnetisch sind. Ein zentraler Ansatz meiner Doktorarbeit war deshalb, bestimmte magnetische Ionen in das Kristallgitter eines schwach magnetischen Multiferroikums einzubringen. Hierdurch lässt sich prinzipiell eine sogenannte ferrimagnetische Ordnung erzeugen, wodurch der Magnetismus deutlich verstärkt wird. Tatsächlich zeigten erste Proben den erwarteten verstärkten Magnetismus! Nach dem ersten Erfolg kam jedoch die schnelle Ernüchterung: Nähere Untersuchungen mittels Elektronenmikroskopie ergaben, dass sich geringe Mengen einer magnetischen Verunreinigung in den Proben gebildet, und den stärkeren Magnetismus scheinbar nur vorgetäuscht hatten. Ich gab jedoch noch nicht gleich auf und untersuchte die Proben mithilfe der sogenannten Rasterkraftmikroskopie. Hierbei wird die Oberfläche einer Probe wie mit einer Schallplattennadel Zeile für Zeile abgetastet, um ein Höhenprofil der Oberfläche zu erhalten. Die verwendete Nadel ist jedoch extrem fein und der Durchmesser ihrer Spitze ist ca. 1000-mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Wenn solch eine Nadel mit einem magnetischen Material beschichtet wird, wirken zwischen der Spitze und der Probe schwache magnetische Kräfte. Hierdurch lassen sich winzige magnetische Partikel oder Bereiche in einer Probe sichtbar machen. Tatsächlich gelang es mir mit Dieser und einer weiteren Technik, winzige Bereiche in meiner Probe zu entdecken die einige 10.000tel Millimeter groß sind, und die außerdem die gewünschten starken magnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften zeigten! Diese „Nanomagnete“ hatten außerdem nichts mit der magnetischen Verunreinigung zu tun. Angetrieben von dieser Entdeckung wollte ich nun versuchen, die magnetische und die ferroelektrische Ordnung, miteinander „sprechen“ zu lassen. Ich setzte die winzige Messspitze unter Strom, die dann über einen Nanomagnet geführt wurde, wodurch ein starkes elektrisches Feld auf diesen wirkte. Ich konnte beobachten wie sich unter dem elektrischen Feld nicht nur die elektrische, sondern auch die magnetische Ausrichtung änderte. Diese Beobachtung war noch keinem vor mir gelungen und der Effekt war der bisher größte gemessene! Dieser Magnet war also in der Lage, elektrische Felder „zu sehen“, obwohl Magnete normalerweise „blind“ für elektrische Felder sind und sich nur mithilfe von Magnetfeldern beeinflussen lassen. Dieses Phänomen bezeichnet man als magnetoelektrische Kopplung.

Das Bild zeigt die magnetische (unten) und die ferroelektrische (oben) Struktur eines Nanomagneten. Über die winzige Spitze des Rasterkraftmikroskops (schematisch), wird der Nanomagnet „unter Strom gesetzt“. Hierdurch verändert sich seine elektrische und gleichzeitig seine magnetische Struktur. Die beiden Strukturen sind miteinander gekoppelt (durch Kette verdeutlicht) was vielversprechend für künftige Anwendungen ist.

Nun kann man fragen: Wozu soll das Ganze gut sein? Meine Beobachtung ist eines der Hauptziele der Forschung an Multiferroika. Winzige Magnete werden nämlich als Informationsträger zur Datenverarbeitung und Speicherung als sogenannte Bits eingesetzt, wobei die Orientierung des Magneten zwei Richtungen einnehmen kann, die vom Computer als 1 oder 0 interpretiert werden. Genauso funktioniert es in einer Festplatte. Das Problem ist jedoch, dass diese einen relativ hohen Energieverbrauch besitzt, da viel Energie benötigt wird um ein Magnetfeld zu erzeugen um die Magnete der Festplatte „umzudrehen“ und dadurch 1en oder 0en zu „schreiben“. Wenn jedoch wie in meinem Experiment, ein elektrisches Feld zum Schreiben verwendet wird, lässt sich der Energieverbrauch und somit auch die Wärmeentwicklung drastisch reduzieren. Diese steht letztlich auch einer weiteren Leistungssteigerung von Computern im weg. So ließe sich evtl. auch die Taktfrequenz von Prozessoren, also die Zahl der GHz, und damit auch deren Geschwindigkeit drastisch erhöhen. Die Taktfrequenz verharrt schon seit einigen Jahren bei 2-3 GHz und ist ein wichtiger Grund dafür, dass die rasante Entwicklung der Computer im Moment ins Stocken gerät.

Die Nanomagnete eignen sich aber nicht nur als Informationsträger, sondern prinzipiell auch als hochsensible Magnetfeldsensoren. Solche Sensoren sind unter anderem in der Medizin sehr wichtig, da sie extrem genaue bildgebende Verfahren ermöglichen, wie das Magnetoenziffalogramm. Hiermit können Tumoren oder Blutgerinnseln im Gehirn frühzeitig und genau entdeckt und dadurch Menschenleben gerettet werden. Mit den jetzigen Magnetfeldsensoren ist die Technik jedoch viel zu teuer und aufwendig um flächendeckend eigesetzt zu werden.

Das von mir entdeckte Material ist zwar von einer Anwendung noch weit entfernt, zeigt jedoch viele vielversprechende Eigenschaften und weist neue Perspektiven auf. Deshalb könnten meine Arbeiten dazu beitragen, dem Mooreschen Gesetz zu seinem 2. Frühling zu verhelfen, oder gar Menschenleben zu retten.

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Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

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  2. Ja, Ultra Low Power Computing ist das ultimative Ziel der nächsten Chipgeneration, denn ein einzelner Transistor hat heute schon ein milliardenfach kleineres Volumen als eine Nervenzelle, verbraucht aber mehr Energie. Zwar könnte man mit heutiger Technologie mehr Transistoren in einem „Hirnvolumen“ unterbringen als es Synapsen im Hirn gibt, doch man bräuchte ein Kraftwerk um den benötigten Strom bereitzustellen.
    Dazu kommt noch, dass ein heutiger Prozessor meist mehr Energie benötigt um die Daten aus dem Speicher zu laden als um sie dann zu verarbeiten.
    Die Lösung für diese beiden Probleme sind genügsamere Schaltelemente (Transistoren), die auch noch als Speicher fungieren können. Ferroelektrische Elemente sind Kandidaten dafür, aber auch spintronische Elemente, also Elemente, die gar nicht mehr mit Ladungsströmen, sondern mit Spinströmen arbeiten. Beides steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt noch nicht einmal experimentelle Chips, die damit arbeiten. Es ist offensichtlich viel einfacher eine funktionierende Technologie jedes Jahr zu verbessern als einer grundsätzlich neuen Technologie zum Durchbruch zu verhelfen.

  3. Martin Holzherr,
    …..Spinstrom,
    in welcher Größenordnung befinden sich die Spinströme? Ist da auch die kleinste Ladungseinheit 1 eV ?

  4. Spins stehen für magnetische „Ladungen“, nicht für elektrische. Ein Spinstrom transportiert also gleich ausgerichtete magnetische „Ladungen“ (Quanten) und meist auch elektrische Ladungen, denn der Spin gehört zu einem Elektron und ein Elektron hat immer eine elektrische Ladung. Wenn der elektrische Ladungstransport sich aber ausbalanciert (elektrische Ladung fliesst in beide Richtungen) kann der Spinstrom positiv sein obwohl in der Summe keine elektrische Ladung fliesst.
    Spintronics ist immer noch in den Kinderschuhen. Jüngst gab es aber Fortschritte beispielsweise am NIST wie der Artikel NIST Invents Fundamental Component for ‘Spintronic’ Computing zeigt.

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