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From Solar Cells to Green IT - New Materials for Energy Transition

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Was macht Spintronik so grün?

„Wäre das Internet ein Land, so hätte es weltweit den sechstgrößten Stromverbrauch“, stellte Greenpeace in einer Studie 2014 fest. Computer, Internet und Telefonie verbrauchen derzeit rund 10 Prozent des deutschen Stroms, 2020 sollen es 15 bis 25 Prozent werden. Dieser hohe Energieverbrauch ist nicht nur schlecht für die Stromrechnung sondern auch für die Umwelt. Spintronische Lösungen können hier weiterhelfen.

Dr. Sergio Valencia Molina aus der HZB-Abteilung „Materialien für grüne Spintronik“ forscht an Multi-Ferroika. Das sind aufeinandergestapelte Materialschichten, die beispielsweise abwechselnd ferromagnetisch oder ferroelektrisch sind (siehe Bild). Solche Materialien sind effiziente Datenspeicher, da ihnen nicht ständig Energie zugeführt werden muss, damit die gespeicherten Informationen erhalten bleiben. Doch wie können die Informationen abgelegt werden? „Wir möchten vermeiden, die magnetischen Eigenschaften durch Magnetfelder zu ändern. Das klingt seltsam, aber wir wollen andere, energiesparende Methoden“, erklärt Valencia Molina.

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Das Prinzip: Eine ferromagnetische Schicht wird auf ein ferroelektrisches Material wie Bariumtitanat aufgetragen. Die angelegte Spannung (V) polarisiert das Bariumtitanat, so dass Elektronen (–) an den Rand der ferromagnetischen Schicht wandern. Deren Spin (kleine Pfeile) beeinflusst nun den angrenzenden Ferromagneten. Bildlich gesprochen schreibt der Spin Strukturen in das benachbarte Material und kann so Informationen speichern.

Ein langer Weg: Von der Idee zur Umsetzung

In einer Welt, die auf Nullen und Einsen aufgebaut ist, bietet der Spin also neue Möglichkeiten. Er kann zusätzliche Informationen speichern und übertragen. Warum nutzen wir noch herkömmliche Halbleiter-Speicherchips? Diese brauchen prinzipiell mehr Energie und Platz, beides versucht die moderne Elektrotechnik zu reduzieren.

„Die Ideen sind bereits da. Sie können einen geringeren Stromverbrauch und eine höhere Speicherdichte möglich machen“, meint der Wissenschaftler. Aber der Umstieg auf eine neue Technik erfordere enorme Investitionen, sowohl in die Forschung als auch die Produktion. Schließlich ist die konventionelle Halbleitertechnik bereits fest etabliert. Für die Spintronik müsste die industrielle Infrastruktur umgebaut werden.

Außerdem funktionieren die bisher erforschten spintronischen Materialien meist nur bei extrem tiefen Temperaturen. Die Physiker suchen daher mithilfe von Bessy II nach Verbindungen, die sich auch bei Raumtemperatur verwenden lassen.