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entdeckt_02_2014

entdeckt 02 .14 TITEL WWW.HZDR.DE die hohe Schaltgeschwindigkeiten aufweisen, dabei aber nur wenig Energie verbrauchen und entsprechend wenig Wärme entwickeln. Gewöhnliche Speicher packen die Informationen in Ladungspakete und müssen die Informationen häufig lesen und neu schreiben, um Datenverlust vorzubeugen. Das kostet Zeit und vor allem viel Energie. Und noch ein Pluspunkt: MRAMs speichern die eingespeisten Informationen auch noch nach Abschalten des Stroms. Würde man PCs und Mobilte- lefone also mit MRAM-Arbeitsspeichern ausrüsten, entfiele die lästige Wartezeit nach dem Start, in der sich die Geräte erst einmal alle Informationen in den Arbeitsspeicher laden. Allerdings sind MRAMs bislang nur in Nischen vertreten, weil sich die Bits nicht so dicht schreiben lassen. Die kleinste Einheit eines MRAM, eine Speicherzelle, hat eine Sandwich-Struktur. Sie besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, zwischen denen eine sehr dünne Trennschicht liegt. Die Unterseite der Zelle bildet ein sogenannter harter Ferromagnet, dessen Magnetisierung fest ist – die Spins sind immer gleich ausgerichtet. Die Oberseite ist hingegen ein wei- cher Ferromagnet, bei dem die Richtung der Magnetisierung verändert werden kann. Sind die Spins in Ober- und Unter- seite des Sandwichs parallel ausgerichtet, ist der Widerstand der Zelle gering. Gegensätzlich orientierte Spins bedeuten dagegen einen hohen Widerstand. Jede Speicherzelle kann somit zwei eindeutig unterscheidbare Zustände einnehmen - das Grundprinzip eines Bit. Um ein MRAM-Bit zu schreiben, schickt man Strompulse zu der Zelle, die ein Magnetfeld erzeu- gen und die Spins der weichen Schicht beeinflussen. Dieser Vorgang begrenzt die Integrationsdichte eines MRAM-Spei- chers: Packt man die Zellen zu dicht, beeinflusst das schrei- bende Magnetfeld auch die Nachbarzellen. Alina Deac ist überzeugt: „ Wenn man die Bits mit spin-polarisierten Strömen schreibt statt mit einem äußeren magnetischen Feld, kann man viel höhere Packungsdichten erreichen.“ Dann könnten die MRAM-Speicher in breite Anwendungsfelder vordringen. Ein weiteres Gebiet, das durch den Spin-Transfer-Torque- Effekt Fortschritte erfahren könnte, ist die drahtlose Kommu- nikation. Denn mit einem spin-polarisierten Strom kann man die weiche Schicht eines Sandwichs auch zum Oszillieren bringen: Die Orientierung der Spins schwingt dann im raschen Wechsel hin und her. Der Widerstand des Bauteils ändert sich periodisch und erzeugt auf diese Weise ein Hochfrequenz- signal, dessen Frequenz durchstimmbar ist. Solche Spin- Torque-Oszillatoren sind beispielsweise geeignet für Mobilte- lefone, die nicht auf einem festen Kanal senden, sondern sich innerhalb eines Frequenzbandes einen freien Kanal suchen. Die verfügbaren Netze ließen sich so wesentlich besser nutzen. Spinwellen für hohe Frequenzen Die Spintronik ist bereits dabei, die Informations- und Kom- munikationstechnik voranzubringen und neue Anwendungs- möglichkeiten zu eröffnen. Bei der konsequenten Nutzung des Elektronenspins als Träger von Informationen ergeben sich je- doch noch weitere Möglichkeiten. Helmut Schultheiß, der seit 2013 am HZDR eine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe leitet, beschäftigt sich beispielsweise mit Spinwellen. Der Clou bei diesem Ansatz: Elektronen und ihre Spins bewegen sich nicht mehr. Stattdessen regt man die Spins eines Ferromagneten LICHTSTAHL TRIFFT PROBE: Mit dem Brillouin-Licht- streu-Mikroskop können Kai Wagner, Thomas Sebastian und Helmut Schultheiß (v.l.) dynamische Prozesse in Festkörpern beobachten. Foto: Matthias Rietschel

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