Forscher beschleunigen Hauptspeicher durch Quanteneffekt

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die französische Forschungsorganisation CNRS haben erstmals mit elektrischen Feldern eine als „Spin“ bezeichnete Eigenschaft von Elektronen in Speicherbausteinen so gesteuert, dass damit Daten dauerhaft erhalten bleiben. Möglich ist dies aufgrund eines Quanteneffekts.

Schema des Aufbaus von MRAM-Bausteinen (Bild: mram-memory.eu)

Neuartiger Arbeitsspeicher nutzt den so genannten magnetischen Tunnelwiderstand (Tunnel Magnetoresistance, kurz TMR). Dabei werden zwei dünne Magnetschichten durch einen nur einen Millionstel Millimeter dicken Isolator voneinander getrennt. Obwohl der Isolator eigentlich keine Elektronen durchlässt, können einige der Ladungsträger trotzdem wie durch einen Tunnel auf die andere Seite schlüpfen.

Alle Elektronen haben einen Eigendrehimpuls, was Physiker als Spin bezeichnen. Der Spin kann entweder den Zustand „Up“ oder „Down“ annehmen. Enthalten beide Magnetschichten eines TMR überwiegend Spins der gleichen Orientierung, tunneln die Elektronen viel leichter, als wenn eine Magnetschicht vor allem „Up“-Spins und die andere überwiegend „Down“-Spins enthält.

Mit einem Bauelement, in dem beide Magnetschichten Elektronen mit gleichem Spin aufweisen, lässt sich ein Speicher herstellen, der ähnlich wie ein herkömmlicher Arbeitsspeicher rasch und oft mit Daten neu beschrieben werden kann. Derartige auch als MRAM bezeichnete Arbeitsspeicher benötigen zum Schreiben der Daten aber relativ starke Magnetfelder und daher auch viel Energie.

Das könnte sich mit der Grundlagenforschung ändern, die die CNRS-Forscher Vincent Garcia und Manuel Bibes jetzt im Wissenschaftsmagazin Science vorstellen: Sie haben den Isolator aus einer Bariumtitanat genannten Verbindung hergestellt. HZB-Forscher Sergio Valencia und Florian Kronast untersuchten die chemische Zusammensetzung der beteiligten Magnetschichten mithilfe von „Röntgenabsorptionsspektroskopie“.

Mit einem elektrischen Feld können die Wissenschaftler diesen Isolator so schalten, dass er die Spins der Elektronen in den angrenzenden magnetischen Schichten und damit auch das Tunneln beeinflusst. Da die Schaltung im Isolator auch ohne Strom erhalten bleibt, könnte man nach diesem Vorbild zum Beispiel Arbeitsspeicher für PCs bauen, die wenig Energie verbrauchen und trotzdem die Daten dauerhaft speichern.