Gezielte Materialfehler können Effizienz von Chips erhöhen

Was, wenn die winzigen Mängel in einem Material, die Ingenieure seit jeher zu vermeiden suchen, in Wahrheit ein ungenutztes Potenzial darstellen? Genau dieser Frage sind Forscher des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) im chinesischen Ningbo nachgegangen. Ihre Antwort, veröffentlicht im renommierten Fachmagazin Nature Materials, könnte die Art und Weise, wie wir über die Entwicklung von Elektronik denken, grundlegend verändern.

Die Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, gezielt herbeigeführte „Unvollkommenheiten“ in einem Material zu nutzen, um die Energieeffizienz von spintronischen Bauteilen um das Dreifache zu steigern. Das ist ein bemerkenswerter Fortschritt auf einem Gebiet, das ohnehin als große Hoffnung für die Elektronik der Zukunft gilt.

Vom Problem zur Lösung: Der Spintronik-Ansatz

Die Spintronik gilt als eine der vielversprechendsten Technologien für das Zeitalter nach dem Silizium. Anstatt wie bei herkömmlichen Chips nur die elektrische Ladung von Elektronen für die Datenverarbeitung zu nutzen, bezieht die Spintronik eine weitere Quanteneigenschaft ein: den Spin der Elektronen, eine Art inneren Eigendrehimpuls.

Doch die Forschung stieß bisher auf einen hinderlichen Kompromiss. Materialfehler konnten zwar das Schreiben von Daten erleichtern, erhöhten aber zugleich den elektrischen Widerstand und damit den Energieverbrauch. Das Team aus China konzentrierte sich nun auf einen verwandten Quanten-Effekt, den sogenannten Orbital-Hall-Effekt. Dieser beschreibt die Bewegung von Elektronen um den Atomkern.

Hier entdeckten die Forscher einen unkonventionellen Mechanismus in dem Material Strontiumruthenat. Vereinfacht ausgedrückt, führen bestimmte Streuprozesse an den Materialdefekten nicht zu einem Leistungsverlust, sondern verlängern die „Lebensdauer“ des orbitalen Impulses. Das Resultat ist ein stärkerer orbitaler Strom, der für das Schalten von magnetischen Zuständen genutzt werden kann.

Ein neues Regelwerk für das Chipdesign

„Diese Arbeit schreibt im Grunde das Regelwerk für das Design dieser Bauteile neu“, erklärt Prof. Zhiming Wang, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, laut einer Mitteilung, die ScienceDaily veröffentlichte. „Anstatt Materialunreinheiten zu bekämpfen, können wir sie nun ausnutzen.“

Seine Kollegin Dr. Xuan Zheng, eine der Erstautorinnen, ergänzt, dass diese Streuprozesse, die „normalerweise die Leistung beeinträchtigen, tatsächlich die Lebensdauer des Bahndrehimpulses verlängern und dadurch den orbitalen Strom verstärken“. Diese Erkenntnis ist der Kern des Durchbruchs.

So vielversprechend diese Ergebnisse klingen, so klar ist auch der potenzielle Haken. Es handelt sich um Grundlagenforschung, die unter Laborbedingungen stattgefunden hat. Der Weg von einer dreifachen Effizienzsteigerung auf einem experimentellen Chip bis hin zu einer zuverlässigen Massenproduktion für den Markt ist erfahrungsgemäß lang, komplex und kostenintensiv.

Dennoch ist die Entdeckung mehr als nur ein weiterer akademischer Erfolg. Sie stellt ein etabliertes Paradigma in der Materialwissenschaft infrage – nämlich, dass Perfektion und Reinheit immer das oberste Ziel sein müssen. Sollte sich der Ansatz als skalierbar erweisen, könnte er die Entwicklung von extrem schnellen und energieeffizienten Speichern wie MRAMs beflügeln und damit künftigen KI-Anwendungen oder mobilen Geräten zugutekommen.

Dieser Beitrag ist zuerst bei t3n.de erschienen.

(jle)