Viele Anwendungen der Informationstechnologie haben ein Problem: Ihrer Weiterentwicklung sind physikalische Grenzen gesetzt. Je leistungsfähiger sie werden, desto mehr Energie verbrauchen sie und desto mehr erwärmen sie sich. Außerdem lassen sich die Technologien nur noch begrenzt weiter verkleinern. Einen möglichen Ausweg dafür haben Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Universität Lanzhou in China gefunden. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Communications" beschreiben sie eine neue Art von Spinwellen, mit denen sich Informationen deutlich effizienter übertragen und verarbeiten lassen.
Konventionelle IT-Anwendungen basieren auf elektrischen Ladungsströmen. "Diese gehen zwangsläufig mit Energieverlusten und einer Erwärmung der Umgebung, also des Materials, einher", sagt der Physiker Prof. Dr. Jamal Berakdar von der MLU. Deshalb würden der Datendurchsatz und die weitere Verkleinerung der Anwendungen mittlerweile an ihre physikalischen Grenzen stoßen, so der Forscher weiter. Für ihre Studie untersuchten die Arbeitsgruppen von Jamal Berakdar und Prof. Dr. Chenglong Jia von der Universität Lanzhou deshalb eine Alternative zu den gängigen Ansätzen, auf denen aktuelle IT-Anwendungen, wie Datenkommunikation, Speichermedien, Chips und andere Bauteile, basieren.
Im Zentrum ihrer Arbeit standen dabei sogenannte Magnonen. "Das sind Wellen, die sich mit nur einem Bruchteil der für die Stromerzeugung benötigten Energie in Ferromagneten anregen lassen. Magnonen lassen sich praktisch ohne Wärmeerzeugung für die Signalübertragung und für logische Operationen in verschiedenen Bauteilen einsetzen", erklärt Berakdar. In der aktuellen Studie beschreibt das deutsch-chinesische Forscherteam eine Art von Wirbelmagnon, bei dem sich sowohl die Wirbelstärke und die Windungszahl als auch die Orientierung der Wirbel kontrollieren lassen. Damit sei es möglich, Signale zu kodieren, die sich über weite Strecken ohne Dämpfungsverluste ausbreiten können. Weitere analytische und numerische Simulationen zeigten zudem, wie sich die Wirbelmagnonen in einem Wellenleiter schraubenförmig ausbreiten. Den Forschern zufolge ermöglichen diese Eigenschaften eine zuverlässige, drastische Erhöhung der Informationsübertragungsdichte. Neben der Energiesparsamkeit seien zudem die kontrollierbaren und verglichen mit optischen Wellen kurzen Wellenlängen von Vorteil, so Physiker Berakdar weiter. Das neue Verfahren könne sogar in bereits vorhandene Technologien integriert werden.
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Journal
Nature Communications