Mikroprozessoren

Hamburger wollen Computer-Chips 500-mal schneller machen

Foto: privat/Fabricius

Physiker entwickeln ein Bauteil aus Atomen, das keinen Strom benötigt. Die Teilchen sind zehn Millionen Mal kleiner als ein Millimeter

Hamburg. Als Intel vergangene Woche verkündete, die Strukturen auf seinen Computerchips künftig dreidimensional zu bauen, sprach das Unternehmen gleich von einer "Neuerfindung des Transistors". Noch kleiner und schneller sollen die Mikroprozessoren dank der neuen Technologie werden und zugleich weniger Strom verbrauchen. Doch auch mit der neuen Architektur dürfte die Miniaturisierung von Computerchips auf Siliziumbasis schon bald an physikalische Grenzen stoßen - es sei denn, es gäbe eine völlig neue Methode, Daten zu verarbeiten.

Auf dem Weg dorthin haben Physiker der Universität Hamburg nun einen Durchbruch erzielt, über den sie im renommierten Magazin "Science" berichten. Dem Team um Alexander Khajetoorians, Jens Wiebe und Roland Wiesendanger gelang es erstmals, ein sogenanntes Spintronik-Logik-Bauteil zu entwickeln. Dabei handelt es sich um die grundlegende Einheit eines Mikroprozessors - mit dem Unterschied, dass sie hier nicht aus Transistoren besteht, sondern aus einzelnen Atomen. Aus Teilchen, die zehn Millionen Mal kleiner sind als ein Millimeter.

Das Bauteil nutzt keinen Strom, sondern die magnetische Ausrichtung der Atome, um Daten zu "schalten" - und das in einem wahnwitzigen Tempo: Während aktuelle Chips in handelsüblichen Computern Taktfrequenzen von zwei bis vier Gigahertz erreichen, könnte ein Prozessor mit Spintronik-Technik, so schätzen die Forscher, bis zu 1000 Gigahertz erreichen, also bis zu 500-mal schneller sein. Und wo mobilen Geräten wie Smartphones oder Laptops heute durch den Stromverbrauch der Prozessoren schnell der Saft ausgeht, könnten Geräte mit atomaren Prozessoren viel länger durchhalten.

Wie genau das funktioniert? Ein Atom besteht aus einem Kern mit positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen sowie aus einer Hülle mit negativ geladenen Elektronen. Die Elektronen sind dabei nicht fest an den Kern gebunden, sie können sich innerhalb eines Trägermaterials frei bewegen, etwa in Silizium. Diese Beweglichkeit macht sich die herkömmliche Halbleiterelektronik zunutze, indem sie Elektronen unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung dazu bringt, winzige Transistoren in Mikroprozessoren oder Speichersticks elektrisch zu laden oder zu entladen. Eine Einstellung steht für Null, die andere für Eins, die beiden Zeichen des digitalen Alphabets - Bits. Viele Einsen und Nullen bilden Informationen, mit denen ein Computer arbeitet, die er in Texte, Bilder oder Videos übersetzt.

Für die Ladung der Transistoren ist also Strom nötig. Hinzu kommt, dass durch die Bewegung der Elektronen Wärme entsteht. Je kleiner die Bauteile eines Chips werden, desto empfindlicher reagieren sie auf diese Wärme. Der neue Ansatz, die sogenannte Spintronik, nutzt den "Spin" von Elektronen. Damit ist gemeint, dass Elektronen sich quasi um ihre eigene Achse drehen, wobei sie ein magnetisches Moment erzeugen.

Man kann sich ein Elektron als winzige Kompassnadel vorstellen, die nach Norden oder Süden zeigt, je nachdem ob sich das Elektron links oder rechts herum dreht. Würde nun festgelegt, ob etwa der Spin nach oben für eine Eins oder eine Null steht, könnte die so abgelegte Information anschließend auch abgelesen werden. "Das Problem ist jedoch, dass sich bei einzelnen Atomen der Spin ständig ändert", sagt Jens Wiebe. "Damit die abgelegte Information erhalten bleibt, muss man mehrere Atome in einem bestimmten Abstand zueinander gruppieren. Die richtigen Abstände herauszufinden war die große Herausforderung."

Schon länger ist es möglich, einzelne Atome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu manipulieren , also zu "greifen" und nebeneinander aufzureihen. Diese Technik nutzten die Forscher auch bei dem Spintronik-Bauteil. Zunächst brachten sie Kobalt auf eine Kupferoberfläche auf. Dabei entstanden zwei dreieckige Inseln, die aus je etwa 100 Kobaltatomen bestehen. Danach "bauten" sie mit dem Rastertunnelmikroskop eine Kette aus Eisenatomen, wobei sie die Atome in exakt berechneten Abständen zueinander anordneten und in der Mitte ein einzelnes Atom platzierten, das als Ausgabe-Einheit dient und mit dem Mikroskop ausgelesen werden kann. Zuletzt verknüpften sie die Inseln mit der Kette.

Legen sie nun von außen ein magnetisches Feld an, geschieht Folgendes: Die Kobaltinseln richten sich nach Norden oder Süden aus, je nachdem, wie stark das Feld ist. Dieser Eingabe passen sich die Eisenatome an und übertragen den Spin - Nord oder Süd, Eins oder Null - auf das Ausgabeatom. Würde man mehrere solcher sogenannten logischen Gatter aneinanderreihen, könnte man damit Rechnungen durchführen - und zwar extrem schnell: Das Umschalten der Spins läuft in einem Zehnbillionstel einer Sekunde ab.

So weit die Vision. Denn noch gebärden sich die Eisenatome widerspenstig; sie halten nur still, wenn die Forscher sie in einem Vakuum auf beinahe minus 273 Grad herabkühlen. Wie sollte man solche Bedingungen in einem Prozessor herstellen? Nun arbeiten die Forscher daran, dass ihr Bauteil auch bei Raumtemperatur funktioniert. In etwa 20 Jahren, so schätzt Projektleiter Roland Wiesendanger, könnten Chips mit der Spintronik-Technik Realität werden.