Spinwellen für die Datenverarbeitung der Zukunft

Die Wissenschaft arbeitet an der nächsten Generation von Computersystemen, die Informationen schnell und flexibel verarbeiten können und gleichzeitig energieeffizient sind. Auch das EU-finanzierte Projekt SWING war daran aktiv beteiligt und hat eine innovative Methode vorgelegt, die diese „Supercomputer“ vom Reißbrett in die Wirklichkeit katapultieren könnte.

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Published: 12 January 2021  
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Spinwellen für die Datenverarbeitung der Zukunft

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© Rawf8, #210786400, source:stock.adobe.com 2021

Alle Computer, die Daten speichern, haben sie: die CMOS-Technologie – einen Halbleiterchip, der Informationen speichert und verarbeitet. Mehr Rechenleistung war bisher durch eine größere Anzahl kleinerer Chips zu erreichen. Doch inzwischen ist das Maximum der Miniaturisierung erreicht und die Ingenieurswissenschaft hat keine Wahl als alternative Konzepte als Ersatz für CMOS in Betracht zu ziehen.

Ein Beispiel sind Spinwellen. Das Projekt SWING hat versucht, ihr Rechenpotenzial praktisch nutzbar zu machen. „Unser Projekt ist eine Antwort auf die ausgereizten Hauptalternativen zu CMOS, nämlich Rechner mit optischen Wellen bzw. analoge Rechner.

Dabei wird die Digitalisierung durch analoge Signale und wellentypische Phänomene ersetzt, aber diese Methode hat einen großen Nachteil: Miniaturisierung ist nur schwer möglich und von der optischen Wellenlänge begrenzt“, sagt Riccardo Bertacco, Professor für Physik an der Polytechnischen Universität Mailand und Koordinator von SWING.

Bertacco und der Marie Skłodowska-Curie-Stipendiat Edoardo Albisetti wollen dieses Problem nun umgehen, indem sie Spinwellen anstelle von optischen Wellen nutzen. Albisetti betont: „Spinwellen haben einen großen Vorteil. Ihre Wellenlänge ist viel kleiner als die von elektromagnetischen Wellen und erreicht im GHz-Bereich Werte von Zehntel Nanometern. Das ist eine Größenordnung weniger als bei optischen Wellenlängen. Damit lassen sich integrierte und CMOS-kompatible Technologien im Submikronbereich für Wellenrechnersysteme umsetzen.“

Spinwellen durch Domänenwände

Spinwellen sind propagierende Anregungen in der Anordnung von Spins in magnetischen Materialien. Neben ihren natürlichen Vorteilen verhalten sie sich außerdem ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Ihre magnetischen Anregungen können für Rechner- und Speicheranwendungen genutzt werden. Albisetti konnte bereits erfolgreich eine Plattform demonstrieren, die sie für analoge Datenverarbeitung verwendet.

„Wir haben im Kern drei Dringe erreicht“, erklärt Albisetti. „Zum einen haben wir mit der thermounterstützten magnetischen Rastersondenlithografie (tam-SPL) eine neue Technik eingesetzt, um Magnonenblöcke zu erzeugen, die Spinwellen steuern können.

Weiter konnten wir zeigen, dass magnetische Domänenwände (der Grenzbereich zwischen zwei Abschnitten eines magnetischen Streifens mit unterschiedlich ausgerichteter Magnetisierung) als Schaltkreise für die Propagierung und Interaktion von Spinwellen geeignet sind. Und schließlich haben wir unterschiedlich strukturierte Domänenwände (linear, konvex, konkav usw.) für unsere analoge Rechenplattform getestet.“

Albisetti hat die Technologie für tam-SPL erfunden, die Grundlage für die anderen Projektergebnisse war. Sechs Monate seiner Promotionsphase arbeitete er dazu mit Elisa Riedo am Georgia Institute of Technology in den Vereinigten Staaten zusammen.

Bertacco betont: „Das Marie Skłodowska-Curie-Projekt war darauf angelegt, diese Zusammenarbeit weiter zu vertiefen. Als Riedo ans Advanced Science Research Centre CUNY wechselte, wollten wir dessen Spitzenausstattung nutzen, um tam-SPL weiterzuentwickeln. Außerdem wollten wir es als Konzeptnachweis für neue Spinwellentechnologien im Wellenrechnen nutzen.“

Das im Projekt entwickelte Konzept, Domänenwände als Leitung für die Propagierung von Spinwellen oder als lokale Quellen für die Erzeugung von Wellenfronten zu nutzen, könnte zum Aufbau von Schaltkreisen aus solchen Domänenwänden genutzt werden.

Schlussendlich könnten diese in integrierter Optik (Resonatoren, Interferometer usw.) als Äquivalente für optische Wellenleiter eingesetzt werden sowie als Technologie zur Verarbeitung analoger Signale (Filter, Spektrenanalysen usw.) auf Basis der Interferenz von Spinwellenfronten.

„Unser Ergebnisse eröffnen eine Vielzahl von Möglichkeiten, die wir noch gar nicht alle kennen“, so Albisetti abschließend.

„Wir haben uns auf zwei spannende Fragen konzentriert: die Interaktion von Spinwellen mit komplexeren Spinstrukturen und die Anwendbarkeit von tam-SPL auf verschiedene magnetische Systeme bei Spintronik-Technologien.“

Vor Kurzem erhielt Albisetti für sein Projekt B3YOND ein „Starting Grant“ vom Europäischen Forschungsrat (ERC). Darin befasst er sich mit einem neuen Konzept für die Nanofabrikation auf Grundlage von tam-SPL.

Projektdetails

  • Projektkürzel: SWING
  • Beteiligte: Italien (Koordinator), Vereinigte Staaten
  • Projektnummer: 705326
  • Gesamtkosten: EUR 244 269
  • EU-Beitrag: EUR 244 269
  • Dauer: November 2016 bis Oktober 2019

  • Projektkürzel: B3YOND
  • Beteiligte: Italien
  • Projektnummer: 948225
  • Gesamtkosten: EUR 1 498 385
  • EU-Beitrag: EUR 1 498 385
  • Dauer: Februar 2021 bis Januar 2026

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