Der Magnetismus bietet neue Möglichkeiten, leistungsfähigere und energieeffizientere Computer zu entwickeln, aber die Realisierung magnetischer Berechnungen auf der Nanoskala ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Ein Forscherteam aus Kaiserslautern, Jena und Wien berichtet in der Fachzeitschrift Nano Letters über einen entscheidenden Fortschritt auf dem Gebiet der Berechnungen mit ultraniedrigem Energiebedarf durch magnetische Wellen.

Eine lokale Störung der magnetischen Ordnung eines Magneten kann sich in Wellen über ein Material ausbreiten. Diese Wellen werden als Spinwellen und die zugehörigen Quasiteilchen als Magnonen bezeichnet. Wissenschaftler der Technischen Universität Kaiserslautern, des Innovent e.V. aus Jena und der Universität Wien sind bekannt für ihre Expertise auf dem Forschungsgebiet "Magnonik". Hier werden Magnonen für die Entwicklung neuartiger Computer genutzt, die die heute verwendeten elektronenbasierten Prozessoren ergänzen können.

"Eine neue Generation von Computern mit Magnonen könnte leistungsfähiger sein und vor allem weniger Energie verbrauchen. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass wir so genannte Monomode-Wellenleiter herstellen können, mit denen wir fortschrittliche wellenbasierte Signalverarbeitungsschemata nutzen können", sagt Juniorprofessor Philipp Pirro, einer der leitenden Wissenschaftler des Projekts. "Dazu müssen die Abmessungen unserer Strukturen im Nanometerbereich liegen. Die Entwicklung solcher Datenleitungen eröffnet einen Zugang zur Entwicklung neuromorpher Computersysteme, die sich an der Funktion des menschlichen Gehirns orientieren."

Die Skalierung der Magnonics-Technologie auf die Nanoskala ist jedoch eine Herausforderung: "Ein sehr vielversprechendes Material für magnetische Anwendungen ist Yttrium-Eisen-Granat (YIG). YIG ist eine Art 'edelmagnetisches Material', weil Magnonen darin etwa hundertmal länger überleben als in anderen Materialien", sagt der Projektleiter, Professor Andrii Chumak von der Universität Wien. "Aber alles hat seinen Preis: YIG ist sehr komplex und schwierig zu handhaben, wenn man versucht, winzige Strukturen daraus zu machen. Deshalb waren YIG-Strukturen jahrzehntelang nur millimetergroß, und erst jetzt ist es uns gelungen, auf 50 Nanometer herunterzugehen, was etwa 100.000 Mal kleiner ist."

Zu diesem Zweck wurde am Nano-Strukturierungszentrum der TU Kaiserslautern eine spezielle neue Technologie entwickelt, bei der die von Dr. Carsten Dubs vom Innovent e.V. in Jena gezüchteten YIG-Schichten eingesetzt werden können. Auf diese YIG-Schicht wird eine dünne Metallschicht, eine sogenannte Maske, aufgebracht, die den größten Teil dieser Schicht frei lässt. Die Probe wird dann mit einem starken Strom von Argon-Ionen beschossen, wodurch ungeschützte Teile der YIG-Schicht abgetragen werden, während das Material unter der Maske intakt bleibt. Anschließend wird die Metallmaske entfernt, wobei ein 50 nm dünner Streifen der fertigen YIG-Schicht zum Vorschein kommt.

"Entscheidend für den Erfolg des gesamten Prozesses war es, die richtigen Materialien für die Maske zu finden, herauszufinden, wie dick sie sein muss, und Dutzende von verschiedenen Parametern einzustellen, um die Eigenschaften einer YIG-Schicht anzupassen", sagt Björn Heinz, der Hauptautor der Arbeit. "Nach mehrjährigen Untersuchungen haben wir schließlich das geeignete Verfahren gefunden, eine Kombination aus Chrom- und Titanschichten. Die Breite der YIG-Struktur ist etwa tausendmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Nach der erfolgreichen Strukturierung untersuchten die Wissenschaftler weiter die Ausbreitung von Magnonen, um zu testen, ob die nanogroßen YIG-Strukturen die überlegenen Materialeigenschaften der YIG-Schichten beibehalten.

"Wir konnten zeigen, dass der Strukturierungsprozess nur einen geringen Einfluss auf die fantastischen Eigenschaften dieses Materials hat", sagt Heinz. "Furthermore, we were able to prove experimentally that magnons transport information efficiently over long distances in the pipelines, as was previously the case in theory was claimed. These results are an important step in the development of magnonic circuits and prove the general feasibility of magnon-based data processing".

Die Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), des Sonderforschungsbereichs SFB 173 Spin+X (P. Pirro) und des DFG-Projekts DU 1427/2-1 (C. Dubs) gefördert und durch das Landesforschungszentrum OPTIMAS finanziert.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht:
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657

Fragen beantworten: 
Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro  
Technische Universität Kaiserslautern   
Tel.: +49 631 205 4092     
E-Mail: ppirro(at)physik.uni-kl.de

Univ.-Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Universität Wien
Tel.: +43 1 4277-73910
E-Mail: andrii.chumak(at)univie.ac.at

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