Der Spin schlägt Wellen

Möglich machen dies magnetische Materialien, bei denen die kleinen gedachten Stabmagnete der Elektronen miteinander wechselwirken. Das sorgt dafür, dass die winzigen Magnete parallel zueinander ausgerichtet sind – und es sozusagen auch bleiben wollen. Wird an einem der Stabmagnete gewackelt, sorgt die Kopplung dafür, dass sich die Auslenkung als Schwingung durch das Material fortsetzt, von einem Stabmagneten zum nächsten. Es entsteht eine sogenannte Spinwelle – und die kann Information übertragen.

Altes Konzept, neue Anwendung

Wie den Lichtwellen in der Quantenphysik die Photonen entsprechen, so lassen sich auch den Spinwellen formal Quantenteilchen zuordnen: Physiker bezeichnen die Spinwellen auch als „Magnonen“ und die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit ihrer Erforschung beschäftigt, als „Magnonik“.

Die Existenz von Magnonen hatte der aus Österreich stammende Physiker Felix Bloch bereits 1930 postuliert, um die Eigenschaften von magnetischen Materialien bei geringen Temperaturen erklären zu können. Die Idee, Magnonen für die Verarbeitung von binären Daten zu verwenden, wurde jedoch erst 75 Jahre später in einer wissenschaftlichen Arbeit vorgeschlagen, berichtet Andrii Chumak, Leiter der Arbeitsgruppe Nanomagnetismus und Magnonik an der Universität Wien.

„Die Idee fand schnell großen Anklang, denn um Spinwellen – oder Magnonen – entstehen zu lassen, reicht es, die magnetischen Momente der Elektronen um lediglich ein Grad auszulenken“, nennt Chumak die Vorteile dieses Ansatzes: „Das kostet deutlich weniger Energie, als das magnetische Moment jedes Mal komplett umzukippen, wie es in der Spintronik geschieht.“

Halbleitertechnik bleibt unverzichtbar

Doch als vollständiger Ersatz für die Halbleiterelektronik ist das Spin-Wave-Computing trotz seiner vielversprechenden Eigenschaften nicht gedacht. „Es gibt bislang keine Ideen für einen Computer, der komplett auf Spinwellen basiert. Und das ist auch nicht das Ziel“, sagt Christoph Adelmann, Wissenschaftlicher Direktor am Mikroelektronik-Forschungszentrum imec im belgischen Löwen und ergänzt: „Für die Ein- und Ausgabegeräte eines Computers wie Tastatur, Maus und Bildschirm sind elektrische Signale unverzichtbar. Auch die grundsätzliche Energieversorgung wird immer über elektrischen Strom laufen. Aus der Steckdose kommen schließlich keine Spinwellen, sondern Elektronen.“

Das Spin-Wave-Computing könne daher immer nur in Kombination mit der bestehenden Halbleiterelektronik funktionieren. Ziel sei es dabei letztlich, die magnonischen Schaltungen zusammen mit der Halbleiterelektronik auf demselben Mikrochip unterzubringen.

„Das Spin-Wave-Computing ist besonders für solche Anwendungen interessant, bei denen es primär auf einen möglichst geringen Energieverbrauch ankommt“, sagt Adelmann. „Bestimmte Rechenoperationen lassen sich mit Spinwellen deutlich energieeffizienter durchführen. Sie ließen sich dann in den magnonischen Teil des Chips auslagern, und das Ergebnis könnte wieder an die Halbleiterelektronik zurückgegeben werden.“ Für diesen Vorgang ist allerdings eine Umwandlung von elektrischen in magnonische Signale erforderlich.

Ein Großteil der Forschungsarbeit im Bereich des Spin-Wave-Computing konzentriert sich daher darauf, wie sich elektrische Eingangssignale möglichst effizient in Spinwellen verwandeln lassen. Im Labor wird hierfür meist Mikrowellenstrahlung verwendet. Für den Einsatz auf Mikrochips ist diese Methode jedoch ungeeignet, da die erforderliche Technik vergleichsweise viel Energie benötigt. Für zukünftige Spinwellen-Schaltkreise steht daher der Einsatz einer bestimmten Klasse von Materialien im Fokus, die als Multiferroika bezeichnet werden. „Sie ermöglichen es, Spinwellen mit effizienten Wandlern anzuregen, die nur mit elektrischer Spannung arbeiten, aber keinen tatsächlichen Stromfluss benötigen“, erklärt Philipp Pirro, Juniorprofessor an der TU Kaiserslautern und Kollege von Burkard Hillebrands.

Möglich wird das, weil diese Materialien zwei außergewöhnliche Eigenschaften miteinander kombinieren: Wird eine elektrische Spannung angelegt, führt das zu einer mechanischen Verformung. Dieser als Piezoeffekt bekannte Mechanismus kommt auch in Ultraschallgeräten oder Lautsprechern zum Einsatz, um Schallwellen mit hohen Frequenzen anzuregen.

Die mechanische Verformung wiederum führt bei den Multiferroika zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften. Auf diese Weise können die „Stabmagneten“ im Inneren des Materials so angeregt werden, dass eine Spinwelle entsteht. „Nachdem der magnonische Rechenvorgang abgeschlossen ist, lassen sich die Spinwellen auf dem umgekehrten Weg wieder in elektrische Signale umwandeln“, sagt Pirro. Wie effizient solche Konversionsprozesse in Nanostrukturen tatsächlich ablaufen können, ist aber noch Gegenstand der Forschung.

Komplett magnonisches Rechnen

Um der Halbleiterelektronik in Sachen Energieeffizienz überlegen zu sein, sollten daher möglichst große Teile der Datenverarbeitung in die Welt der Spinwellen verlagert werden, ohne zurück in die Elektronik wechseln zu müssen. „Im Idealfall ist nur noch für die Eingabe der Daten und die Ausgabe der Ergebnisse eine Konversion erforderlich“, sagt Chumak. „Sämtliche Rechenschritte dazwischen würden in logischen Schaltungen ablaufen, die mit Spinwellen arbeiten.“

Das ist ein hochgestecktes Ziel. Denn um das komplett magnonische Rechnen Wirklichkeit werden zu lassen, braucht es eine völlig neue Rechenlogik, die in der Lage ist, mit Spinwellen universelle Berechnungen durchzuführen. Alle logischen Komponenten und Schaltkreise müssen dafür von Grund auf neu designed werden.

Ein Transistor für Magnonen

„Ein Weg für das Spin-Wave-Computing ist es, die konventionelle Logik, wie man sie aus der Halbleitertechnik kennt, für die Magnonik umzusetzen“, erklärt Burkard Hillebrands. Bereits 2014 hatten er und Andrii Chumak einen solchen magnonischen Transistor – und damit das grundlegende Schaltelement – realisiert. Dafür machten sie sich die besonderen physikalischen Eigenschaften der Magnonen zunutze. „Wenn zwei Spinwellen mit geringer Amplitude im Winkel von 90 Grad aufeinandertreffen, beeinflussen sie sich praktisch nicht. Das ist so, als würden sich die Lichtkegel von zwei Taschenlampen kreuzen. Es passiert nichts“, erklärt Chumak. Bei großen Amplituden verhalten sich Spinwellen jedoch zunehmend nichtlinear – sie treten in Wechselwirkung miteinander. „Sie verhalten sich dann wie zwei Lichtschwerter aus Star Wars, die zusammenstoßen.“

Für die Funktionsweise des magnonischen Transistors bedeutet das: Wird eine Spinwelle durch den Transistor gesendet, ohne dass sie auf eine senkrecht dazu laufende Welle mit großer Amplitude trifft, setzt sie ihren Weg ungehindert fort. Ist die orthogonale Welle jedoch eingeschaltet, kommt es zu einer Wechselwirkung. Die erste Welle wird dann im Transistor absorbiert.

„Das Prinzip funktionierte gut“, sagt Chumak, „aber es hatte den Nachteil, dass bei jeder Absorption Energie verloren ging.“ Der Transistor war daher energetisch sehr ineffizient. Doch die Wissenschaftler fanden andere Lösungen: „Wir haben uns von Konzepten aus dem optischen Rechnen inspirieren lassen und geschaut, wie wir sie für die Magnonik anpassen können“, berichtet Philipp Pirro.

Im Vergleich zum optischen Rechnen mit Lichtwellen (siehe „Erleuchtung im Computer“ ab Seite 26) bietet das Spin-Wave-Computing zwei entscheidende Vorteile, erläutert Burkard Hillebrands. „Die Wellenlänge von Spinwellen in magnetischen Materialien liegt typischerweise bei nur wenigen Nanometern. Dadurch können logische Bauelemente für das Spin-Wave-Computing sehr gut miniaturisiert und zusammen mit der Halbleiterelektronik auf einem Mikrochip untergebracht werden.“

Bei den Schaltungen, die mit Licht arbeiten, sei dies hingegen nur sehr eingeschränkt möglich, da die Lichtwellenlängen etwa um den Faktor 100 größer sind. „Zudem können wir beim Rechnen mit Spinwellen auf eine ganze Reihe nichtlinearer physikalischer Effekte zurückgreifen, mit denen sich optische Systeme sehr schwertun“, sagt Hillebrands. Bis April 2022 waren er, Pirro und auch Adelmann im Rahmen eines internationalen EU-Forschungsprojektes an der Entwicklung neuer Bauteile für das Spin-Wave-Computing beteiligt.

Die Mehrheit entscheidet

Eines der einfachsten und zugleich wirkungsvollsten Bauteile, das die Wissenschaftler bei dem Projekt umgesetzt haben, ist ein sogenanntes Majoritätsgatter. Es sieht im Prinzip aus wie ein Dreizack aus einem magnetischen Material (siehe Abbildung auf S. 23). Die drei Zinken dienen als Eingänge für Spinwellen mit identischer Wellenlänge und Amplitude. „Die Information, ob eine Welle eine binäre Eins oder Null darstellt, ist in ihrer Phase kodiert“, erklärt Pirro.

Startet eine Welle an der Spitze ihres Zinkens mit einem Wellenberg, ist es eine Eins, startet sie mit einem Wellental, ist es eine Null. Werden die drei Wellen zeitgleich losgeschickt, überlagern sie sich an der Gabelung des Dreizacks: Treffen dabei Wellenberge oder Wellentäler aufeinander, addieren sich die Amplituden. Wellenberge und Wellentäler hingegen löschen sich gegenseitig aus. Die Welle, die am Ende aus dem einen Ausgang des Majoritätsgatters herausläuft, hat daher immer genau die Phase, die auch die Mehrheit der Wellen an den drei Eingängen hatte.

Ein einziges Majoritätsgatter erfüllt damit die Funktionalität einer Schaltung, die in der Halbleiterelektronik zehn Transistoren benötigen würde. „Indem wir mehrere solcher Majoritätsgatter geschickt zusammenschalten, könnten wir im Prinzip jede beliebige logische Schaltung realisieren“, sagt Pirro. Die Betonung liegt dabei auf „geschickt“, denn je nachdem, in welchem Verhältnis sich die Wellen gegenseitig auslöschen oder verstärken, ist das Ausgangssignal unterschiedlich stark. „Haben die drei Eingänge etwa die Werte Eins, Eins, Eins, ist die Amplitude am Ausgang drei Mal so hoch wie für die Werte Null, Null, Eins“, erklärt Pirro. Bevor der Ausgang eines Majoritätsgatters an den Eingang des nächsten angeschlossen werden kann, muss die Amplitude daher erst wieder auf ein bestimmtes Level gebracht werden. Und das ist nicht nur technisch aufwendig, sondern kostet auch zusätzliche Energie. Zwar haben die Wissenschaftler auch hierfür bereits theoretische Lösungen ersonnen. Aber deren praktische Umsetzung ist noch weitgehend ungeklärt.

Wechselspiel der Wellen

Daher wird auch die Entwicklung anderer logischer Bauelemente vorangetrieben. So arbeitet Andrii Chumak mit seinem Team seit einigen Jahren an einem sogenannten magnonischen Richtkoppler (siehe Abbildung auf S. 20/21). Der ist noch simpler aufgebaut als das Majoritätsgatter: „Im Prinzip besteht der Richtkoppler bloß aus zwei parallelen Drähten, den sogenannten Wellenleitern“, erklärt Qi Wang, der das Bauteil in der Arbeitsgruppe von Chumak entwickelt hat. „Das erste Stück verlaufen die Wellenleiter sehr nah beieinander, ohne sich jedoch zu berühren, und entfernen sich dann voneinander.“

Wird in einem der Wellenleiter eine Spinwelle angeregt, passiert etwas Faszinierendes: Nachdem die Welle sich ein kleines Stück durch das Material bewegt hat, wechselt sie zum anderen Wellenleiter – obwohl dazwischen keine materielle Verbindung besteht. Dort setzt sie ihren Weg fort, bis sie nach einem kurzen Stück wieder zum ersten Wellenleiter zurückwechselt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Welle die Stelle erreicht, an der sich die Wellenleiter voneinander entfernen. Erst dort „entscheidet“ sich die Welle für einen der beiden Ausgänge.

Der Grund für das Wechselspiel: Bei der Fortbewegung durch den Wellenleiter erzeugt die Spinwelle ein magnetisches Feld. Die kleinen „Stabmagnete“ der Elektronen in dem anderen Wellenleiter spüren dieses Feld und werden dadurch ausgelenkt. Die Spinwelle überträgt ihre Energie auf diese Weise nach und nach auf den anderen Wellenleiter, sodass dort eine neue, identische Spinwelle entsteht – die wiederum ein magnetisches Feld erzeugt.

„In welchem Wellenleiter die Welle letztlich bleibt, hängt von ihrer Amplitude ab“, erläutert Chumak. Denn je mehr Energie die Welle hat, desto häufiger wechselt sie zwischen den Leitern hin und her. „Indem wir die Energie gezielt wählen, können wir damit genau beeinflussen, wo die Welle sich befindet, wenn die Wellenleiter auseinanderlaufen und welchen Ausgang sie nimmt.“ (Mehr dazu im Kasten links „So funktioniert der magnonische Richtkoppler“.)

Auf diese Weise ließe sich aus magnonischen Richtkopplern im Prinzip jede beliebige logische Schaltung aufbauen. Anders als beim Majoritätsgatter würde hierfür nur ein einfaches Verstärkerelement benötigt, das die Amplitude immer um denselben Wert verstärkt. Dass man überhaupt einen Verstärker braucht, liegt daran, dass die Spinwellen auf ihrem Weg durch das magnetische Material mit der Zeit an Energie verlieren. Um größere Schaltungen mit Spinwellen umsetzen zu können, muss das Signal daher zwischendurch aufgefrischt werden.

Anhand gesammelter Messwerte haben Chumak und seine Kollegen errechnet, dass sich aus nur zwei Richtkopplern und einem Verstärker eine logische Schaltung konstruieren ließe, die bei gleichem Platzbedarf 14 Halbleitertransistoren ersetzen könnte und dabei nur etwa ein Siebtel von deren Energie verbrauchen würde. Allerdings: Während die 14 Halbleiter-Transistoren für eine Rechenoperation nur 200 Pikosekunden brauchen, benötigen die Richtkoppler für dieselbe Operation 100 Mal so lange. „Dass die Richtkoppler aktuell noch so langsam sind, liegt an ihrer Größe. Es dauert einfach sehr lange, bis die Spinwellen durch die Schaltung wandern“, erklärt Chumak. Zudem bewegen sich Spinwellen im Vergleich zu elektrischen Signalen deutlich langsamer. Chumak hofft, dass sich dieses Problem durch weitere Miniaturisierung lösen lässt.

Neuentwicklung sämtlicher Tools

Der nächste wichtige Schritt in der Entwicklung wäre, den Richtkoppler aus einem Material herzustellen, das sich problemlos in den Halbleiter-Fertigungsprozess integrieren lässt. „Es sollte die Spinwellen möglichst wenig dämpfen“, sagt Philipp Pirro. Gut geeignet hierfür ist eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bohr. „Die Spinwellen-Schaltungen könnten dann weitgehend mit denselben Verfahren erzeugt werden wie die Halbleiter-Strukturen“, sagt Christoph Adelmann.

Bis aus Bauteilen wie dem Majoritätsgatter oder dem Richtkoppler universelle Rechenwerke entstehen, werde es trotzdem noch einige Zeit dauern, meint der imec-Wissenschaftler: „In der Halbleiterelektronik haben wir 50 Jahre Erfahrung, wie man beliebige Schalkreise mit Transistoren umsetzen kann. Dafür gibt es sehr ausgereifte Programme und Systeme, in die viel Geld geflossen ist.“ Für die Spinwellen, Majoritätsgatter und Richtkoppler müssen all diese Tools komplett neu entwickelt werden.

„Im Moment stehen wir mit der Magnonik ungefähr da, wo die Halbleiterelektronik in den 1960er-Jahren war“, meint Burkard Hillebrands. „Lange waren wir nur ein paar verrückte Physiker, die verrückte Experimente machen. Doch mittlerweile beginnt die Industrie, das Potenzial des Ansatzes zu erkennen.“

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