Wiener Physiker entwickeln neues Konzept für ultraschnelle Schalter

    16. Jänner 2018, 10:34
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    In Multiferroika lassen sich hochfrequente magnetische Schwingungen im Inneren des Materials mit elektrischen Feldern zu kontrollieren

    Die Taktfrequenz herkömmlicher Elektronik stößt an ihre Grenzen. Mithilfe eines speziellen Materials, in dem elektrische mit magnetischen Eigenschaften kombiniert werden können, zeigen Forscher der Technischen Universität (TU) Wien in Kooperation mit russischen Kollegen nun im Fachjournal "Physical Review Letters" einen möglichen Weg auf, diese Grenzen in Zukunft zu überwinden.

    Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verbunden. Dennoch werden in den Materialwissenschaften elektrische und magnetische Effekte meist getrennt voneinander untersucht. Dabei werden magnetische Materialeigenschaften üblicherweise mit Magnetfeldern und elektrische Eigenschaften mit elektrischen Feldern beziehungsweise Spannungen beeinflusst.

    Multiferroika

    Eine spezielle Klasse von Materialien, sogenannte Multiferroika, erlauben jedoch eine Kopplung elektrischer und magnetischer Eigenschaften. Die meisten Materialien seien hinsichtlich ihrer kristallinen Struktur "zu symmetrisch, um solche magnetoelektrischen Effekte aufzuweisen", erklärt Andrei Pimenov, Leiter des Instituts für Festkörperphysik der TU Wien und einer der Autoren der aktuellen Studie, gegenüber der APA. Indem sie ein Material bestehend aus den Elementen Eisen, Bor und einigen Seltenen Erden verwendeten, das eine spezielle Symmetrie aufweist, gelang es den Forschern jedoch, hochfrequente magnetische Schwingungen im Inneren des Materials mit elektrischen Feldern zu kontrollieren.

    Hundert Mal schneller als herkömmliche Computer

    Um den Effekt experimentell nachzuweisen, durchleuchteten Pimenov und sein Team das Material mit Licht, das mit einer Frequenz von 300 Gigahertz (300 Milliarden Schwingungen pro Sekunde) in Resonanz mit den magnetischen Schwingungen im Inneren stand. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderten sie die Resonanzbedingungen, was dazu führte, dass der Lichtstrahl entweder durchgelassen oder absorbiert wurde. Somit konnten die Forscher eine Art Schalter für das Licht generieren, der mit einer theoretischen, maximalen Taktfrequenz von 300 Gigahertz arbeitet. Zum Vergleich: Herkömmliche Computer arbeiten mit circa drei Gigahertz etwa hundert mal langsamer.

    Drähte zur Datenübertragung "beinahe ausgereizt"

    "Die Taktfrequenz von Siliziumchips erhöht sich bereits seit einigen Jahren nicht mehr", sagte Pimenov. Sowohl die Geschwindigkeit von Transistoren, also den Schaltern im Inneren der Chips, wie auch die der Drähte zur Datenübertragung seien beinahe ausgereizt. "Setzt man zur Datenverarbeitung jedoch auf Licht anstelle elektrischer Ladungen und verwendet Materialien wie das unsere, ließe sich die Frequenz, zumindest theoretisch, in Zukunft noch deutlich erhöhen."

    Ein weiterer Vorteil des neuen Systems besteht dem Forscher zufolge darin, dass elektrische Spannungen viel einfacher anzuwenden sind als Magnetfelder. Um die magnetischen Schwingungen im Inneren durch Magnetfelder zu kontrollieren, wäre zwar kein spezielles Material nötig. Die Spulen, die solche Felder in der geeigneten Stärke generieren, müssten jedoch verhältnismäßig groß sein und würden auch große Mengen an Energie verbrauchen. "Eine elektrische Spannung anzulegen kostet dagegen so gut wie keine Energie", so Pimenov.

    • Forscher der TU Wien entwickelten ein neues Konzept für ultraschnelle Schalter
      foto: apa/heisler

      Forscher der TU Wien entwickelten ein neues Konzept für ultraschnelle Schalter

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