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Neues Fachgebiet »Spin-Kaloritronik«: Computerbauteil mit Strom aus eigener Abwärme betreiben

Für eine energiesparendere Datenverarbeitung nutzen Physiker der Uni Bielefeld und weiterer Institute die Abwärme von Computerbauteilen zur Erzeugung magnetischer Signale, die sogenannten »Spin-Ströme« erzeugen. Sie sollen künftig – teilweise – den elektrischen Strom für Elektronikbauteile liefern.

Spin-Strom-Forschung Bildquelle: © Universität Greifswald

In Experimenten - unter anderem an der Universität Greifswald – testen die Forschenden, welches Material den Spin-Strom am effektivsten erzeugen kann.

Forscher der Universitäten Bielefeld, Greifswald, Gießen und des Leibniz-Instituts für Festkörper- Werkstoffforschung in Dresden haben getestet, welche Materialien aus Wärme möglichst effektiv diese »Spin-Ströme« erzeugen können. »Spin« bezeichnet die links- oder rechts-gerichtete Drehung von Elektronen um ihre eigene Achse.

Die Ströme entstehen durch Temperaturunterschiede zwischen zwei Enden mikroelektronischer Bauteile. Sie sind heute extrem miniaturisiert, z.B. bis zu einem Millionstel-Millimeter dünn und bestehen aus magnetischen Materialien wie Eisen, Cobalt oder Nickel.

Zwischen zwei solcher Nano-Schichten platzieren die Forscher eine wenige Atome dicke Lage aus Metalloxid und erwärmen eine der beiden Außenschichten. Elektronen mit einer bestimmten Spinausrichtung dringen durch das Metalloxid und erzeugen den Spin-Strom.

»Spin-Kaloritronik« nennt sich das neue Fachgebiet, für das die Arbeitsgruppe »Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen« von Prof. Dr. Günter Reiss von der Uni Bielefeld die Stärke der Spin-Ströme für verschiedene Kombinationen dünner Schichten ermittelt hat.

»Abhängig vom verwendeten Material hat sich die Ausbeute des Spin-Stroms deutlich unterschieden«, sagt Dr. Alexander Böhnke, der mit seinen Kollegen Dr. Torsten Hübner, Dr. Timo Kuschel und Privatdozent Dr. Andy Thomas unterschiedliche Materialkombinationen getestet hat. »Das liegt an der elektronischen Struktur der verwendeten Materialien.« Aufgrund von theoretischen Annahmen fanden die Forscher geeignete Materialien mit der passenden elektronischen Struktur.

Die gemessene Spin-Strom-Ausbeute war bis zu zehnfach höher als mit den bisher verwendeten Materialien. Besonders ergiebig sind magnetische Nanostrukturen aus speziellen Verbindungen, die aus Cobalt, Eisen, Silizium und Aluminium bestehen. Ziel ist es langfristig, den Bedarf extern zugeführter Energie von elektronischen Bauteilen zu senken.