Simulation: Neuartiger zweidimensionaler Schaltkreis funktioniert mit magnetischen Quantenteilchen

Doktorand Qi Wang, Erstautor der aktuellen Studie Foto: TUK/Koziel

Die Grafik zeigt einen herkömmlichen Schaltkreis (li.) und einen magnonischen Schaltkreis, der mit einer zweidimensionalen Verdrahtung auskommt. Foto: AG Hillebrands

Ob Smartphone, Rechner oder Dialysemaschine – kein elektronisches Gerät kommt ohne Chip und seine elektronischen Schaltkreise aus. Die einzelnen Schaltelemente sind hierbei oft durch dreidimensionale sogenannte Brückenkonstruktionen verdrahtet. An einer leistungsfähigeren Variante arbeiten derzeit Physiker an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Anstatt Elektronen nutzen sie bestimmte Quantenteilchen, die Magnonen. Im Modell haben sie erstmals gezeigt, wie für diese Teilchen Stromflüsse in einem integrierten magnonischen Schaltkreis möglich sind. Dabei verbinden sie die Elemente nur zweidimensional. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Als der US-amerikanische Ingenieur Jack Kilby in den 1960er Jahren den integrierten Schaltkreis entwickelte, kam dies einer technischen Revolution gleich: Zunächst nur in einem Taschenrechner verbaut, ermöglichte die Technik kurze Zeit später den Siegeszug der Computer, die von da an mit immer kleineren Prozessoren auskamen. „Diese Schaltkreise stellen die Grundlage für unsere heute gängige Elektronik dar“, sagt Juniorprofessor Dr. Andrii Chumak, der am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TUK im Fachbereich Physik forscht. Für seine Arbeiten erhielt Kilby, auch Vater des Mikrochips genannt, im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik.

An einer neuen Generation von Schaltkreisen arbeiten die Physiker um Chumak und seinen Doktoranden Qi Wang, der Erstautor der aktuellen Studie. Sie nutzen dabei Spinwellen. „Diese können Information in Form des Eigendrehimpulses in magnetischen Materialien transportieren“, fährt Chumak fort. „Die Quantenteilchen solcher Wellen sind Magnonen.“ Im Vergleich zu Elektronen können sie wesentlich mehr Informationen transportieren, verbrauchen dabei viel weniger Energie und erzeugen weniger Abwärme. Dies macht sie beispielsweise für schnellere und leistungsfähigere Rechner interessant.

In der nun erschienenen Studie beschreiben die Wissenschaftler erstmals einen sogenannten integrierten magnonischen Schaltkreis, in welchem Informationen mittels dieser Teilchen übertragen werden. Wie auch bei gängigen elektronischen Schaltkreisen sind hierbei Leiter und sogenannte Leitungskreuzungen notwendig, um die einzelnen Schaltelemente zu verbinden. In ihrer Simulation ist es den Forschern nun gelungen, eine solche Kreuzung für Magnonen zu entwickeln. „Dazu haben wir in unsere Berechnungen ein Phänomen mit einbezogen, das in der Physik schon bekannt ist und in der Magnonik erstmals zum Einsatz kommt“, sagt Qi Wang. „Wenn zwei Magnonenleiter äußerst eng nebeneinanderliegen, reden die Wellen gewissermaßen miteinander, das heißt, die Energie der Wellen wird vom einen Leiter auf den anderen übertragen.“ In der Optik findet dies schon länger Verwendung, zum Beispiel um Informationen zwischen Lichtwellenleitern (Glasfasern) zu übertragen.

Dies macht sich auch das „Nano-Magnonik“-Team, ein Teil des Lehrstuhls von Professor Hillebrands um Chumak und Wang, zunutze, um Schaltelemente auf einem magnonischen Chip in einer neuen Art und Weise zu verdrahten. Das Besondere hierbei: Sie kommen bei den Leitungskreuzungen ohne eine dreidimensionale Brückenkonstruktion aus. Bei klassischen Schaltkreisen ist dies notwendig, um den Elektronenfluss zwischen mehreren Elementen zu gewährleisten. „Bei unserem Schaltkreis nutzen wir eine zweidimensionale flache Verdrahtung, bei der die Magnonenleiter nur dicht nebeneinander liegen müssen“, sagt Wang. Diese „Kontaktstelle“ nennen die Forscher direktionalen Koppler. Mithilfe des Modells möchten die Forscher nun einen ersten magnonischen Schaltkreis bauen.

Für die künftige Produktion von Computer-Bauteilen ließe sich beispielsweise mit diesen neuartigen Schaltkreisen Material und dadurch auch Kosten einsparen. Darüber hinaus liegt die Größe der simulierten Bauteile im Nanometerbereich, was mit modernen elektronischen Bauteilen vergleichbar ist. Allerdings ist die Informationsdichte bei Magnonen um ein Vielfaches größer.

Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Magnonen hat Juniorprofessor Chumak 2016 einen ERC Starting Grant, einen der höchsten Forschungspreise der EU, erhalten. Der Physiker und sein Doktorand Wang arbeiten am Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), welches vom Land Rheinland-Pfalz finanziert wird.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler“ DOI: 10.1126/sciadv.1701517