Die Störung der lokalen magnetischen Ordnung kann sich in einem Material wie eine Welle ausbreiten. Diese Welle nennt man Spinwelle und ihre kleinste physikalische Einheit ist das Magnon. Physiker der TU Kaiserslautern schlagen die Anwendung von Magnonen anstelle von Elektronen in der Informationsverarbeitung vor. Diese Technologie eröffnet den Zugang zu einer neuen Generation von Computern, bei denen Datenverarbeitung ohne die Bewegung realer Partikel wie eben Elektronen erfolgt. Dies geht mit einer Verminderung von Hitzeverlusten und folglich geringerem Energieverbrauch einher. Außerdem führen die besonderen Eigenschaften von Magnonen bei den neuen Datenverarbeitungskonzepten zu einer drastischen Zunahme von Geschwindigkeit und Effizienz.

In einer Studie, die kürzlich in der hochangesehenen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, haben die Kaiserslauterer Wissenschaftler einen Transistor entwickelt, der einzig mit Magnonen funktioniert. Dieser Transistor wurde erstmalig vorgeschlagen, experimentell erforscht und als Prototyp vorgestellt. In dem Bauteil mit drei Anschlüssen konnte durch das Einbringen von Magnonen am Gatter die Dichte der Magnonen beim Fluss von der Quelle zur Senke auf ein Tausendstel reduziert werden. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Magnonenströmen war so effizient wegen ihrer starken natürlichen Nichtlinearität. Dies wurde durch die Verwendung eines künstlichen magnetischen Materials, eines magnonischen Kristalls, noch weiter verstärkt. Das hier gezeigte physikalische Konzept der gegenseitigen Kontrolle von Magnonen wird in der Zukunft bei der Entwicklung von magnetischen Prozessoren auf der Basis eines einzelnen Chips genutzt werden können. Mit diesem magnonischen System können Datenmengen im Terabyte-Bereich verarbeitet werden.

Das Forscherteam besteht aus Dr. Andrii Chumak, Dr. Alexander Serga und Prof. Dr. Burkard Hillebrands vom Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS) der TU Kaiserslautern, finanziell gefördert durch die Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pfalz. Weitere Unterstützung kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Grant no. SE 1771/1-2) und EU-FET (Grant InSpin 612759). Die Arbeiten wurden veröffentlicht in:

Andrii V. Chumak, Alexander A. Serga, Burkard Hillebrands: Magnon transistor for all-magnon data processing, Nature Communications 2014 doi 10.1038/ncomms5700 (http://www.nature.com/…).

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    Schematischer Aufbau des Magnonentransistors: Der Fluss der Magnonen von der Transistor-Quelle zur Senke (blaue Kugeln) wird durch die Magnonen kontrolliert, die am Gatter eingebracht werden (rote Kugeln). Es konnte die starke Abnahme sowie der komplette Stopp des Magnonenflusses experimentell gezeigt werden (Copyright: Chumak, Serga, Hillebrands)

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