Mittels kurzer Lichtblitze lassen sich Spins innerhalb weniger Pikosekunden nahezu verlustfrei von einem stabilen Zustand (roter Pfeil) in einen neuen (weißer Pfeil) lenken.

Bild: Brad Baxley, Part to Whole

Schnelle und energieeffiziente Datenspeicherung Von 0 auf 1 in einer Billionstel Sekunde

17.05.2019

Trotz der rasant wachsenden Nachfrage nach immer schnellerer Elektronik stagnieren die Taktraten moderner Computer seit Jahren. Mit einem präzise dosierten und extrem kurzen Schubs aus Licht ist es Regensburger Physikern nun gelungen, den Spin eines Elektrons effizienter und schneller denn je umzudrehen. Das stellt einen wichtigen Schritt hin zu einer nahezu verlustfreien Informationstechnologie dar.

Grund für die stagnierende Leistung von Computern ist vor allem, dass hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten in Rechnern zu massiver Wärmeentwicklung führen. Mittlerweile sind Rechenzentren für nahezu 5 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich.

Aktuelle Speichertechnologien halten die binären Informationen 0 und 1 anhand der Orientierung winziger magnetischer Kompassnadeln, sogenannter Spins fest. Sie können durch einen magnetischen Schreibkopf gelesen und geschrieben werden. Die geringe Effizienz dieses Ansatzes begrenzt die maximal erreichbaren Datentransferraten auf derzeit etwa eine Milliarde Bits pro Sekunde. Doch die Gesetze der Physik verbieten es grundsätzlich nicht, Daten viel schneller und nahezu ohne Energieverlust zu speichern.

Spins den nötigen Kick verpassen

Diese Hoffnung experimentell zu bestätigen, war das Ziel des Forscherteams um Prof. Dr. Rupert Huber und Privatdozent Dr. Christoph Lange vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg sowie Dr. Rostislav Mikhaylovskiy und Prof. Alexey Kimel von der Radboud Universität in Nijmegen, Niederlande. Die Kernidee bestand darin, mit ultrakurzen Lichtblitzen Spins plötzlich auszulenken, um sie von einem stabilen Zustand so schnell in einen anderen zu schalten, dass sie keine Wärme erzeugen können. Wählt man hierbei Lichtblitze im niederenergetischen infraroten Spektralbereich, dem sogenannten Terahertzbereich, sollte dies besonders energieeffizient funktionieren.

Selbst mit den stärksten Terahertz-Strahlungsquellen stieß man aber bislang immer an Grenzen. „Man konnte die Spins zwar seit ein paar Jahren ein bisschen taumeln lassen, ihnen aber keinen derart heftigen Kick verpassen, dass sie sich komplett umdrehen“, erklärt Stefan Schlauderer, Erstautor der Publikation.

Deshalb haben sich die Regensburger Physiker nun eines Tricks bedient. „Wir haben eine kleine, goldene Antenne gebaut, um die Strahlung zusätzlich zu bündeln. Die Antenne ist etwa 70 µm lang und macht die Strahlung lokal so stark, dass sie ausreicht, um die Spins umzuschalten“, erzählt Lange. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Ausrichtung der Elementarmagneten innerhalb weniger Pikosekunden (Millionstel einer Millionstel Sekunde) umschalten, wobei dazu nur die Energie eines einzelnen Terahertz-Lichtquants – eines Photons – pro Spin nötig war.

Ultimativ schnelle Datenspeicherung

Damit übertreffen die Forscher die Geschwindigkeit bestehender Technologien nicht nur tausendfach, sondern stellen auch einen neuen Rekord in der Energieeffizienz auf. „Durch die punktgenau dosierte Energiemenge läuft die Bewegung der Spins praktisch ungestört ab, sodass sich sogar Perspektiven für Quanteninformationsverarbeitung ergeben könnten“, ergänzt Lange. Diese Erkenntnisse sollen den Grundstein legen für eine neue Generation der Informationstechnologie, die nicht nur eine maximal effiziente sondern auch ultimativ schnelle Datenspeicherung ermöglicht.

Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der kommenden Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

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