Einzigartiges Material für energieeffizientere IT

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Cinthia Piamonteze und Juraj Krempasky bei der Arbeit an einem Experiment der St
Cinthia Piamonteze und Juraj Krempasky bei der Arbeit an einem Experiment der Studie am Paul Scherrer Institut. Credit: Dominik Kriegner (FZU)

Im Rahmen einer Zusammenarbeit haben Forscherinnen und Forscher eine überraschende magnetische Eigenschaft eines exotischen Materials entdeckt. Sie würde es Computern ermöglichen, weniger als ein Millionstel der Energie zu verbrauchen, die zum Schalten eines einzigen Bits erforderlich ist.

In der Welt der Materialwissenschaft werden immer wieder Materialien mit exotischen Eigenschaften entdeckt oder hergestellt. Unter ihnen sind die sogenannten Multiferroika bekannt. Dabei handelt es sich um eine einzigartige Klasse von Materialien, die sowohl magnetisiert als auch polarisiert werden können, was bedeutet, dass sie sowohl für magnetische als auch für elektrische Felder empfindlich sind.

Da sie beide Eigenschaften aufweisen, sind Multiferroika sowohl für kommerzielle Zwecke als auch für die Forschung sehr interessant geworden, wobei die potenziellen Anwendungen von hochmoderner Elektronik bis hin zu Speichersystemen der nächsten Generation reichen. Durch das Verständnis und die Nutzung der Eigenschaften von Multiferroika wollen Forscherinnen und Forscher effizientere, kompaktere und sogar energiesparendere Technologien entwickeln.

Heute wurden im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation einige faszinierende Eigenschaften von mangandotiertem multiferroischem Germaniumtellurid (Mn-dotiertes GeTe) nachgewiesen. Der Begriff "dotiert" bedeutet, dass eine kleine Menge an Manganatomen (Mn) in die Kristallstruktur des Germaniumtellurids (GeTe) eingebracht wurde, um seine Eigenschaften zu verändern. Diese Arbeit ist vielversprechend für die Zukunft des energiesparenden Computings und ermöglicht außerdem ein besseres Verständnis des kollektiven Verhaltens von multiferroischen Materialien.

Das Projekt wurde von den Professoren Hugo Dil von der EPFL, Gunther Springholz von der Johannes Kepler Universität in Linz und Jan Minár von der Westböhmischen Universität geleitet.

Mn-dotiertes GeTe ist für seine einzigartigen ferroelektrischen und magnetischen Eigenschaften bekannt. Die neue Studie ergab jedoch, dass es auch eine andere magnetische Ordnung besitzt als typische Ferromagnete wie Eisen, die sich nach einem Magnetfeld ausrichten. Stattdessen fanden die Wissenschaftler heraus, dass mit Mn dotiertes GeTe die Eigenschaften eines Ferromagneten aufweist.

Was ist ein Ferromagnet? Im Gegensatz zu "normalen" Magneten, wie wir sie an unsere Kühlschränke kleben, besteht ein Ferromagnet aus zwei übereinander liegenden Magneten mit leicht unterschiedlichen Stärken. Die Entdeckung dieses Verhaltens von Mn-dotiertem GeTe bedeutet, dass wir nun eine größere Flexibilität bei der Steuerung der Magnetisierungsrichtung haben, eine Eigenschaft, die für eine Reihe von Technologien von entscheidender Bedeutung ist.

Sie erwies sich als wichtig, da sie es den Wissenschaftlern ermöglichte, eine Methode zu entwickeln, um die Effizienz des Umschaltens der Magnetisierungsrichtung um bemerkenswerte sechs Größenordnungen zu verbessern. Anstatt die herkömmliche Methode zu verwenden, bei der ein starker Stromimpuls an das Mn-dotierte GeTe angelegt wird, verwendeten sie einen kleinen, ständig schwankenden elektrischen Strom (AC), gefolgt von einem kleinen Stromimpuls im richtigen Moment - ähnlich wie wenn man eine Schaukel im richtigen Moment anstößt, um sie mit weniger Kraftaufwand höher zu bringen. Die Forscherinnen und Forscher haben dieses Phänomen "stochastische Resonanz" genannt.

Dieser kleine Impuls führte zu einer Veränderung, die sich im Mn-dotierten GeTe schnell ausbreitete, wie eine Welle in einem Teich. Der Grund dafür ist, dass sich das Material sowohl wie ein Feststoff als auch wie eine Flüssigkeit verhält, im Grunde wie Glas; die Veränderung eines Teils führt zu einer Kettenreaktion, die andere Teile verändert.

Technischer ausgedrückt: Der magnetische Schalter breitete sich dank kollektiver Anregungen schnell durch das Mn-dotierte GeTe aus. Letztere sind koordinierte kollektive Bewegungen einer großen Anzahl von Elektronenspins in dem Material. "Das ist möglich, weil das System ein korreliertes Spinglas bildet, in dem sich die lokalen magnetischen Momente in einem glasartigen Zustand befinden, wie die Atome in einem alten Fenster", sagt Hugo Dil. "Wenn ein Spin gezwungen wird, seine Orientierung zu ändern, breitet sich diese Information wie eine Welle durch die Probe aus und bewirkt, dass sich auch die anderen magnetischen Momente ändern."

Er fügte hinzu: "Für technologische Anwendungen ist diese Steigerung der Effizienz beim Schalten natürlich sehr interessant. Letztendlich könnte sie zu Computern führen, die weniger als ein Millionstel der Energie benötigen, die derzeit für das Schalten eines Bits erforderlich ist. Was mich als Physiker jedoch wirklich fasziniert, ist das kollektive Verhalten. Wir planen räumlich und zeitlich aufgelöste Experimente, um die Ausbreitung dieser Anregungen zu verfolgen und zu ermitteln, wie wir sie kontrollieren können."

Referenzen

Juraj Krempaskíoe, Gunther Springholz, Sunil Wilfred D-Souza, Ond?ej Caha, Martin Gmitra, Andreas Ney, C. A. F. Vaz, Cinthia Piamonteze, Mauro Fanciulli, Dominik Kriegner, Jonas A. Krieger, Thomas Prokscha, Zaher Salman, Jan Minár, J. Hugo Dil. Efficient magnetic switching in a correlated spin glass. Nat. Comm. 14, 6127 (2023). DOI: 10.1038/s41467’023 -41718-4