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Schneller schalten mit Mikrowellen

25.11.2015

Nanomagnetische Logik (NML) Schaltungen sind eine vielversprechende Alternative für das Design integrierter Logik-Schalt­kreise. Sie versprechen einen niedrigen Energieverbrauch und das dauerhafte Speichern der einmal geschriebenen Information. Bei der NML werden nano­skalige Magnetstrukturen über ihre magnetischen Felder miteinander gekoppelt und so Logikgatter realisiert. An der PTB wurde nun gezeigt, dass mit Hilfe von Mikro­wel­len einzelne Eingänge dieser Gatter gezielt adressiert und schnell geschaltet werden können.

 

Elektronische Datenverarbeitung beruht zurzeit auf integrierten Schaltkreisen, die ladungsbasierte Halbleiter-Logikgatter verwenden. Als Alternativkonzept werden aktuell nanomagnetische Logikelemente (NML) entwickelt, die eine sehr niedrige Verlustleistung zeigen und, anders als die üblichen Halbleiterbauteile, nicht flüchtig sind. NML-Elemente bestehen aus nanoskaligen Magnetstrukturen, die über ihr magnetisches Streufeld aneinander koppeln und so zu Logikgattern angeordnet werden können. Das Programmieren der NML erfolgt mit von außen angelegten externen Magnetfeldern. Für den Betrieb von Logikgattern ist es jedoch zusätzlich erforderlich, einzelne Eingänge gezielt zu adressieren, d.h. ausgewählte Nanomagnete gezielt umzuschalten.

In der PTB wurde deshalb das Mikrowellen-unterstützte Schalten einzelner Nanomagnete untersucht. In einer Kooperation mit der University of Notre Dame in den USA wurden dort zunächst Arrays aus rechteckigen gekoppelten Nanomagneten hergestellt. An der PTB wurde anschließend mit durchstimmbaren Mikrowellenfeldern das Anregungsspektrum der magnetischen Moden gemessen und durch Simulationen untersucht. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die am Rand der Nanomagnete dominanten magnetischen Anregungen, die sogenannten Rand-Moden, stark von der Kopplung an die benachbarten Nanomagnete abhängen.

Mit Hilfe mikromagnetischer Simulationen konnte dann gezeigt werden, dass durch spezifische Anregung der Rand-Mode eines ungekoppelten Eingangsmagneten mit einer frequenzangepassten Mikrowellenstrahlung gezielt dessen Magnetisierung umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise könnten in Zukunft in einem großen NML Logikgatter spezifische Logikelemente schnell und zuverlässig programmiert werden. Dieses mikrowellenunterstützte Schalten stellt einen konzeptionell völlig neuen Ansatz zur Ansteuerung von NML-Gattern dar, der ohne eine lokale Kontaktierung auskommt.

 

Bild 1: Simulation des Schaltprozesses senkrecht gekoppelter Nanomagnete (oben). Die Mikrowellenanregung (schwarz) führt nach einer Nanosekunde zum Schalten der Magnetisierung (rote Kurve).