Energieeffizientere Geräte dank Spintechnologie

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro (links) und Professor Dr. Mathias Weiler. (View/Voss TUK)

Ob Smartphone, Smartwatch oder ein normaler Rechner – elektronische Geräte verbrauchen viel Energie. Neue Technologien, welche die Spinforschung ermöglicht hat, können helfen, den Verbrauch zu senken, etwa indem sie in gängige Halbleiter- und Mikrochips integriert werden. An der TU Kaiserslautern (TUK) befassen sich zwei neue, von der Europäischen Union (EU) geförderte Forschungsprojekte mit der Thematik. Eines wird an der TUK koordiniert und durch die EU mit 3,3 Millionen Euro gefördert, wobei 525.000 Euro nach Kaiserslautern gehen. Das andere Vorhaben wird in Belgien geleitet. Dafür stellt die EU rund drei Millionen Euro bereit, wovon 310.000 Euro für Arbeiten an der TUK bestimmt sind.

Um elektronische Geräte energieeffizienter zu machen, arbeitet die Forschung daran, Spinwellen und ihre Quantenteilchen, die Magnonen, zu nutzen. Diese können mehr Informationen transportieren als Elektronen und gleichzeitig deutlich weniger Energie verbrauchen. Spinwellen wiederum sind die kollektive Anregung von magnetischen Momenten in einem magnetischen Material. Beim Spin handelt es sich um den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, beispielsweise eines Elektrons oder Neutrons. Er ist die Grundlage aller magnetischen Phänomene.

In den beiden von der EU geförderten Projekte geht es darum, die Erkenntnisse der Spin- und Magnonikforschung in die Anwendung zu bringen. Bei „Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing“ (M&MEMS) soll die Spintechnologie fit für vorhandene elektronische Geräte gemacht werden.

Das Team setzt dabei auf die Kombination von magnonischen Systemen mit mikromechanischen Systemen, sogenannte MEMS-Chips. MEMS steht für „micro-electro-mechanical systems“. „Dabei handelt es sich zum Beispiel um mikroskopische Motoren oder Beschleunigungssensoren, die unter anderem in Smartphones vorkommen“, sagt der Projektkoordinator Juniorprofessor Philipp Pirro, der an der TUK im Gebiet des Magnetismus forscht. „Magnonische Systeme lassen sich über Magnetfelder steuern. Diese werden meist durch Elektromagneten erzeugt und dafür benötigt man bisher allerdings Strom.“ Sein Kollege Professor Dr. Mathias Weiler, der an der TUK zu angewandten Spinphänomenen forscht, ergänzt: „Das macht das Ganze derzeit noch ineffizient.“

Hier kommen nun diese mikromechanischen Systeme ins Spiel. „Darin wollen wir kleine Permanentmagneten positionieren, um ein Magnetfeld zu erzeugen“, so Weiler weiter. „Ist dies einmal getan, benötigt man keine weitere Energie mehr.“ Die Feldstärke des Magneten lässt sich steuern, indem man ihn näher an das magnonische Element heranbringt oder entsprechend weiter entfernt. Somit wäre der Energiebedarf beziehungsweise der -verbrauch sehr gering. „Das ist vor allem für mobile Geräte interessant“, nennt Pirro als Beispiel.

An dem Vorhaben, welches von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) koordiniert wird, sind acht Partnern aus fünf EU-Staaten beteiligt. Darunter sind Universitäten wie die TU München und das Politecnico di Milano sowie führende Technologieunternehmen im Bereich der Hochfrequenzkommunikation wie Nokia und Thales. An der TUK werden Pirro und Weiler von Professor Dr. Burkard Hillebrands unterstützt, dem Leiter der Arbeitsgruppe Magnetismus.

Im zweiten geförderten Projekt „Computation Systems Based on Hybrid Spin-wave–CMOS Integrated Architectures“ (SPIDER) geht es ebenfalls um magnonische Elemente. „Wir möchten ein System bauen, bei dem die Magnonik an einen Standardcomputer angeschlossen und in gängige Halbleiterelemente integriert wird“, erläutert Pirro. Im Blick hat das Forscherteam dabei sogenannte Complementary metal-oxide-semiconductor, kurz CMOS. Sie kommen in allen gängigen Rechnern vor. „Schaffen wir es, die Magnonik mit den Techniken und Chips, die es schon gibt, kompatibel zu machen, hätten wir eine geringere Einstiegshürde, um die Magnonik in die Anwendung zu bringen.“

An dem Vorhaben sind neben der TUK und der Fraunhofer-Gesellschaft noch vier weitere europäische Partner beteiligt. Koordiniert wird es am Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) im belgischen Löwen.

Die Arbeiten zu beiden Projekten werden im neuen Forschungsgebäude LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) auf dem Campus der TUK stattfinden, wo Forscherinnen und Forscher aus Physik, Chemie und den Ingenieurwissenschaften Spin-Phänomenen gemeinsam auf den Grund gehen. Erst vor kurzem haben Professor Weiler und Juniorprofessor Pirro jeweils einen ERC Grant vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) erhalten, um ebenfalls im Spinbereich zu forschen. Die ERC Grants zählen zu den renommiertesten Forschungsförderungen weltweit.

Den Grundstein zu den Vorhaben gelegt haben die Teams um die beiden Physiker unter anderem mit Arbeiten in dem vom Land geförderten Zentrum für Optik und Materialwissenschaften, kurz OPTIMAS, und im Sonderforschungsbereich „Spin + X“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Im Rahmen der neuen Projekte wird es auch wissenschaftliche Stellen geben. Interessierte mit entsprechenden Qualifikationen können sich gerne bewerben.

Fragen beantworten:

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-Mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Professor Dr. Mathias Weiler
Angewandte Spinphänomene / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4099
E-Mail: weiler(at)physik.uni-kl.de