Forscher überwinden Hürde für extrem stromsparende Computerchips

Forscher der Brown University haben einen Weg gefunden, einen bislang entscheidenden Nachteil vielversprechender Materialien für besonders energieeffiziente Computerchips zu überwinden. Dabei spielt der Magnetismus eine entscheidende Rolle.

Tod durch zu dünne Schichtung überwunden

Die neu entdeckte Methode ermöglicht es, extrem dünne Schichten aus Bismutferrit herzustellen, die auch bei wenigen Atomlagen ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften behalten. Zusätzlich weisen die Materialien eine besondere Form des Magnetismus auf, die für kommende Speicher- und Rechenbausteine interessant sein könnte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Bismutferrit gehört zur Materialklasse der Multiferroika. Diese verbinden elektrische und magnetische Eigenschaften miteinander. In ihrer Kristallstruktur sind positive und negative Ladungen gegeneinander verschoben, wodurch eine elektrische Polarisation entsteht. Diese lässt sich durch eine kleine angelegte Spannung umkehren und damit zur Speicherung von Informationen in Form von Bits nutzen. Da elektrische und magnetische Zustände gekoppelt sind, könnten Daten zudem magnetisch ausgelesen werden. Das verspricht Speicher und Logikschaltungen mit deutlich geringerem Energiebedarf.


Bislang verhinderte jedoch ein Effekt namens "Dead Layer", dass solche Materialien in besonders dünner Form eingesetzt werden konnten. Werden die Schichten auf wenige Atomlagen reduziert, verändern sich ihre atomare Struktur und chemische Umgebung. Gleichzeitig können interne elektrische Felder die Polarisation destabilisieren. Dadurch gehen die gewünschten ferroelektrischen und magnetischen Eigenschaften verloren.

Das Team um Lucas Caretta, Ingenieurwissenschaftler an der Brown University, hat beide Probleme durch gezielte Veränderungen des Schichtaufbaus gelöst. Die Forscher züchteten Bismutferrit auf einem Kristallsubstrat aus Dysprosiumscandat. Dessen geringerer Gitterabstand erzeugt eine mechanische Spannung, die die benötigte atomare Struktur stabilisiert. Eine zusätzliche Metallschicht schirmt störende elektrische Felder ab.

Noch kein Chip

So blieb das Material selbst bei einer Dicke von wenigen Ångström funktionsfähig. Ein Ångström entspricht einem Zehnmillionstel Millimeter. Die Forscher konnten damit den bislang unvermeidlichen "Dead Layer"-Effekt überwinden.

Darüber hinaus wies das Material Altermagnetismus auf. Diese besondere magnetische Ordnung könnte Eigenschaften klassischer Ferro- und Antiferromagneten verbinden: schnelle Schaltvorgänge, geringe gegenseitige Störungen und zugleich gut auslesbare Signale. Das würde besonders dicht integrierte Speicher- und Logikbausteine ermöglichen.

Noch handelt es sich nicht um einen fertigen Chip. Die Arbeit zeigt vielmehr, wie sich grundlegende Materialeigenschaften für praktische Anwendungen erhalten und gezielt verbessern lassen. Angesichts des steigenden Energiebedarfs durch Künstliche Intelligenz könnte dies langfristig einen Beitrag zu effizienteren Rechenarchitekturen leisten.

Siehe auch: