Eine Gruppe von Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology in den Vereinigten Staaten hat einen neuartigen Zeitgeber für Computerchips entwickelt. Statt der bisher üblichen, oft mehrere Quadratmillimeter großen Quarzkristalle besteht die neue “Uhr” nur aus einer magnetischen Schicht mit Abmessungen im Mikrometerbereich und einem Stromkontakt. Werden Elektronen mit einem genau ausgerichteten Spin in die Magnetschicht eingespeist, sendet diese Mikrowellenstrahlung einer bestimmten Frequenz aus. Darüber berichten die Forscher im Fachmagazin Physical Review Letters (Band 92 Artikel 027201).
Die reibungslose Zusammenarbeit der verschiedenen Komponenten eines elektronischen Geräts erfordert zumeist einen so genannten Taktgeber. Sowohl in Armbanduhren als auch in modernen Computern kommen dabei immer noch kleine Quarzkristalle zum Einsatz, die aufgrund ihrer Piezoelektrizität bei Schwingungen elektrische Impulse aussenden. Da Quarz ansonsten in der modernen Halbleiterelektronik nur bedingt benutzt wird, versuchen die großen Halbleiterkonzerne schon seit längerem, ihre Uhren durch einen Halbleiterchip zu ersetzen.
Bill Rippard und seinen Kollegen gelang nun ein großer Schritt in diese Richtung: Aufbauend auf einer Arbeit von Forschern der Cornell Universität haben sie einen Zeitgeber gebaut, der nur auf der Wechselwirkung eines spinpolarisierten Elektronenstroms mit einer magnetischen Schicht beruht. Wenn die Spins der Elektronen dabei so ausgerichtet werden, dass sie nicht mit der Magnetisierungsrichtung der Schicht übereinstimmen, sendet diese Mikrowellen mit Frequenzen zwischen 5 und 40 Gigahertz aus.
Ursache dieser Strahlungsaussendung ist die Wechselwirkung zwischen den Elektronen des spinpolarisierten Stroms und den Atomen der ferromagnetischen Schicht. Die Elektronen zwingen die Atomspins zu Richtungsänderungen, und dies führt zur Aussendung der Mikrowellenstrahlung. Deren Frequenz kann dabei sowohl durch die Stärke des Stroms als auch durch die des äußeren Magnetfelds, das an die Schicht angelegt werden muss, verändert werden.
Rippard glaubt, dass seine Taktgeber relativ einfach in herkömmliche Computerchips integriert werden können. Einige der großen Chiphersteller wie etwa Intel und Motorola haben zudem bereits mit der Entwicklung von Chips begonnen, die den Spin der Elektronen als Schaltelemente ausnutzen.
Stefan Maier
