Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass Ihr Smartphone nach längerem Gebrauch heiß wird oder der Akku in einem entscheidenden Moment plötzlich leer ist? Ein Grund dafür ist, dass die elektronischen Schaltkreise und der Speicher im Inneren des Geräts Strom verbrauchen und Wärme erzeugen. Im Allgemeinen speichert ein Computerspeicher Informationen als Nullen und Einsen, indem er den Stromfluss steuert. Wenn wir einen Speicher entwickeln könnten, der nur sehr wenig Strom verbraucht, könnten wir den Stromverbrauch von Smartphones und Computern erheblich senken.
Um dieses Problem anzugehen, wurde 1971 ein neues Konzept namens ferroelektrischer Tunnelübergang (FTJ) eingeführt. Diese Art von Speicher basiert auf der Ferroelektrizität, einer Eigenschaft, bei der die Richtung der inneren elektrischen Polarisation umgekehrt werden kann. Durch die Änderung dieser Polarisation wird der Stromfluss beeinflusst, was die Datenspeicherung ermöglicht. Herkömmliche Materialien wiesen jedoch eine erhebliche Einschränkung auf: Mit zunehmender Verkleinerung der Bauelemente ließ ihre Leistungsfähigkeit oft nach.
Ein bedeutender Durchbruch gelang 2011, als Forscher feststellten, dass ein gängiges Material namens Hafniumoxid seine elektrische Polarisation auch dann beibehalten konnte, wenn es sehr dünn war. Mit diesem Material wollten Professor Yutaka Majima und sein Forschungsteam am Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) ein ultrakleines Speicherbauelement mit einer Breite von nur 25 nm entwickeln – etwa ein Dreitausendstel der Dicke eines menschlichen Haares.
Einkristall-Struktur als Schlüssel
Beim Versuch, Speicherbauelemente auf eine so extreme Größe zu miniaturisieren, taucht ein erhebliches Problem auf: Strom kann durch die Grenzen zwischen winzigen Kristallen innerhalb des Materials entweichen. Dieser Stromverlust hat eine weitere Miniaturisierung lange Zeit verhindert. Das Team traf eine mutige Entscheidung: Anstatt dieses Problem zu umgehen, entschied es sich dafür, das Bauelement noch kleiner zu machen und so den Einfluss dieser Grenzen zu verringern.
Außerdem führten sie eine neuartige Technik ein – das Erhitzen der Elektroden, damit diese eine natürliche halbkreisförmige Form annehmen. Dies ermöglichte die Schaffung einer Struktur, die eher einem Einkristall gleicht und weniger Grenzen aufweist, an denen ein Stromverlust auftreten könnte.
Diese Kombination aus struktureller Gestaltung und gezielter extremer Miniaturisierung ermöglichte es dem Gerät, Spitzenleistung zu erzielen. Damit eröffneten die Forscher eine neue Möglichkeit: Speicherbausteine, die mit zunehmender Verkleinerung an Leistungsfähigkeit gewinnen und damit den herkömmlichen Erwartungen widersprechen.
Nächste Schritte
Sollte diese Technologie in die Praxis umgesetzt werden, könnte sie unseren Alltag erheblich beeinflussen. So könnten wir beispielsweise Smartwatches erleben, die mit einer einzigen Ladung monatelang durchhalten, oder zahlreiche mit dem Internet verbundene Sensoren, die ohne Batteriewechsel funktionieren.
Im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) könnte dieser Speicher eine schnellere Datenverarbeitung ermöglichen und gleichzeitig den Energieverbrauch erheblich senken. Da das verwendete Material mit bestehenden Halbleiterfertigungsprozessen kompatibel ist, könnte dieser kleine, aber leistungsstarke Speicher bald in Geräte integriert werden, die wir täglich nutzen.
Kommentar des Forschers
„Sich mit den vermeintlichen Grenzen der Wissenschaft auseinanderzusetzen – wie etwa ,kleiner geht es nicht‘ oder ,dann gehen sie kaputt‘ – ist wie ein Gang durch die Dunkelheit. Es ist ein ständiger Kampf. Indem wir jedoch traditionelle Annahmen hinterfragten und neue Wege zur Überwindung dieser Hindernisse erkundeten, gelang es uns, eine völlig neue Perspektive zu entdecken. Ich würde mich sehr freuen, wenn diese Errungenschaft die Neugier junger Menschen weckt, die die Zukunft gestalten werden, und dazu beiträgt, eine bessere Welt zu schaffen“, so Yutaka Majima, Professor, Labor für Materialien und Strukturen, Institut für integrierte Forschung, Institute of Science Tokyo.
