News

Spinspiralen für energiesparende Computersysteme

07.05.2012

Die stetige Miniaturisierung von Computern und Speichermedien erfordert neue Konzepte zur Speicherung, Verarbeitung und Transport von Informationen. Forscher der Universitäten in Hamburg und Kiel und des Forschungszentrums Jülich fanden einen neuen Weg, wie Informationen im Nanometerbereich durch Ketten aus einzelnen Eisenatomen extrem schnell und effizient übertragen werden können. Wie die renommierte Fachzeitschrift "Physical Review Letters" in der Ausgabe vom 07. Mai 2012 berichtet, wird für den Informationstransport lediglich der Eigendrehimpuls von Elektronen - der sogenannte Spin - benutzt, wodurch die Daten-Übertragung im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen praktisch keine Energie verbraucht und mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft.

 

Abbildung: Ein 30x30 nm² Bild der Ketten aus Eisenatomen (gelb, rot) auf der Iridiumoberfläche (blau, grün) aufgenommen mit spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie. Die Modulation entlang der Eisenketten wird durch die Anordnung der magnetischen Momente zu einer Spinspirale hervorgerufen. (Bildnachweis: M. Menzel - Universität Hamburg)

In der herkömmlichen Halbleiter-Elektronik unserer modernen Computer werden Daten in Form von elektrischer Ladung verarbeitet. Da hierfür auch Ladungen auf Leiterbahnen verschoben werden müssen, also ein elektrischer Strom fließt, werden die Bauteile warm und müssen aufwändig gekühlt werden. Gerade bei mobilen Computern ist dieser Energieverbrauch ärgerlich, weil dadurch deutlich längere Laufzeiten der Geräte verhindert werden. Das Forscherteam schlägt nun einen neuartigen Weg vor, um Informationen sehr schnell auf extrem dünnen Leiterbahnen fast ohne Energieaufwand zu transportieren.
Hierfür untersuchten Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Prof. Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg Eisenketten mit einer Breite von lediglich zwei Atomen, die auf eine Iridium-Oberfläche aufgebracht wurden. Mittels der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie konnten sie die magnetische Struktur sichtbar machen und fanden, dass sich die Spins der Eisenatome spiralförmig entlang der Kette anordnen. „Wenn ich die magnetische Ausrichtung eines Eisenatoms in der Spinspirale kenne, kenne ich automatisch auch die Ausrichtung aller anderen Atome der gesamten Spinspirale, ohne diese zu vermessen“, sagt Dr. Matthias Menzel. Das heißt, wenn man an der einen Seite der Eisenkette eine bestimmte magnetische Ausrichtung anlegt, dann dreht sich die Spinspirale entsprechend der magnetischen Eingabe. Ähnlich wie bei einer Stellschraube mit Spiralgewinde kann man nun am Ende der Spinspirale ablesen, wie weit die Spirale gedreht wurde und welche magnetische Ausrichtung auf der anderen Seite angelegt wurde. Auf diese Weise können Informationen entlang der Spinspirale transportiert werden.
Theoretische Arbeitsgruppen vom Forschungszentrum Jülich sowie der Universität Kiel führten aufwändige quantenmechanische Rechnungen auf Supercomputern durch, und entdeckten, dass nicht nur die interne Kopplung der Spinspirale, sondern auch deren Drehsinn äußerst robust ist. Dadurch bieten solche Spinspiralen diverse Vorteile für mögliche Anwendungen zum Informationstransport:

  • Durch die komplexe magnetische Struktur zeigen sie nur eine sehr kleine Restmagnetisierung, was sie gegen störende, äußere Magnetfelder fast immun macht.
  • Aufgrund des ausgezeichneten Drehsinns, sind die Spinspiralen unanfällig gegenüber Defekten in der magnetischen Struktur, was eine zuverlässige Datenübertragung auch über längere Strecken garantiert.
  • Gleichzeitig lassen sie sich über die Enden sehr leicht beeinflussen, unabhängig von der Länge der Spirale, was wichtig für einen effizienten Informationstransport ist.
  • Da die Spirale beliebig rotierbar ist, ist der Informationstransport nicht mehr auf das binäre System beschränkt (0 und 1).

Die Arbeit der Wissenschaftler aus Hamburg, Jülich und Kiel könnte einen neuen Weg für die weitere Miniaturisierung in der Informationstechnologie eröffnen. Durch dieses Konzept für einen Datentransport im Nanometerbereich lassen sich Leiterbahnen wesentlich dichter packen als bisher. Dadurch könnten Computerchips konstruiert werden, die deutlich kleiner, schneller und extrem energiesparend sind.

Originalveröffentlichung

“Information Transfer by Vector Spin Chirality in Finite Magnetic Chains“, M. Menzel, Y. Mokrousov, R. Wieser, J.E. Bickel, E. Vedmedenko, S. Blügel, S. Heinze, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger, Physical Review Letters 108, 197204 (2012)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.197204

 

Inaugural international Heinrich Rohrer Prize goes to Professor Roland Wiesendanger




12. june 2014





More information




2014-06-13
READMORE

Enhanced Atomic-Scale Spin Contrast due to Spin Friction


Enhanced Atomic-Scale Spin Contrast due to Spin Friction

S. Ouazi, A. Kubetzka, K. von Bergmann, and
R. Wiesendanger,

Phys. Rev. Lett. 112 076102 (2014)

2014 04 07 READMORE

Parity Effects in 120° Spin Spirals


Parity effects in 120° spin spirals

M. Menzel, A. Kubetzka, K. von Bergmann, and
R. Wiesendanger,

Phys. Rev. Lett.
112, 047204 (2014).
2014-04-15
READMORE

Dr. Alexander Ako Khajetoorians wins the Nicholas Kurti European Science Prize 2014



26. february 2014




More information


2014 02 26







READMORE

Topologically stable magnetic Helix: theoretical Concept of a novel Technique for Information Transfer and Energy Storage

Topologically Protected Magnetic Helix for All-Spin-Based Applications
E. Y. Vedmedenko and D. Altwein,
Phys. Rev. Lett. 112, 017206 (2014).

2014 02 19

READMORE

New technology for energy-efficient data storage

Electric-Field-Induced Magnetic Anisotropy in a Nanomagnet Investigated on the Atomic Scale
A. Sonntag, J. Hermenau, A. Schlenhoff, J. Friedlein, S. Krause, and R. Wiesendanger,
Phys. Rev. Lett. 112, 017204 (2014).

2014 01 09
READMORE

Sonderforschungsbereich zum dritten Mal erfolgreich: Weitere 10 Millionen Euro für Erforschung des Magnetismus im Nanokosmos

 

 

 

 

PM 2013-11-21

  READMORE

5. Nacht des Wissens in Hamburg

02. November 2013
Jungiusstraße 11, 20355 Hamburg


View Slideshow


2013-11-02 NDW

READMORE

On the cover of "Science": Magnetic nano-knots for data storage

Researchers use skyrmions to store information

Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions,
N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger,
Science (2013)

PM 2013-08-08 gross.


READMORE

The world’s smallest magnet

Current-Driven Spin Dynamics of Artificially Constructed Quantum Magnets
A. A. Khajetoorians, B. Baxevanis, C. Hübner, T. Schlenk, S. Krause, T. O. Wehling, S. Lounis, A. Lichtenstein, D. Pfannkuche, J. Wiebe, and R. Wiesendanger,
Science 339 no. 6115 pp. 55-59 (2013).
PM 2013-01-04 news
READMORE

New technique for imaging and manipulating tiny magnets

Individual Atomic-Scale Magnets Interacting with Spin-Polarized Field-Emitted Electrons,
A. Schlenhoff, S. Krause, A. Sonntag, and R. Wiesendanger,
Phys. Rev. Lett. 109 097602 (2012).

PM 2012-08-29

READMORE

Direct imaging of magnetic molecular orbitals succeeded

Real-space observation of spin-split molecular orbitals of adsorbed single-molecule magnets,
J. Schwöbel, Y. Fu, J. Brede, A. Dilullo, G. Hoffmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, and R. Wiesendanger,
Nature Communications 3 953 (2012).

2012 08 02 gross

READMORE

Spin spirals for energy-efficient computer systems

Information Transfer by Vector Spin Chirality in Finite Magnetic Chains,
M. Menzel, Y. Mokrousov, R. Wieser, J.E. Bickel, E. Vedmedenko, S. Blügel, S. Heinze, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger,
Physical Review Letters 108, 197204 (2012)

READMORE

LEGO with atomic magnets

Atom-by-atom engineering and magnetometry of tailored nanomagnets,
A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, S. Lounis, S. Blügel, and R. Wiesendanger,
Nature Physics 8, 497–503 (2012).

READMORE

A thermometer for the nanoworld

Joule Heating and Spin-Transfer Torque Investigated on the Atomic Scale Using a Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope,
S. Krause, G. Herzog, A. Schlenhoff, A. Sonntag, and R. Wiesendanger,
Phys. Rev. Lett 107, 186601 (2011).

READMORE

Lattice of magnetic vortices

Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions,
S. Heinze, K. von Bergmann, M. Menzel, J. Brede, A.  Kubetzka, R. Wiesendanger, G. Bihlmayer, S. Blügel,
Nature Physics 7, 713–718 (2011).

READMORE

Logic with atoms: the smallest OR of the world

Realizing All-Spin Based Logic Operations Atom by Atom,
A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, and R. Wiesendanger,
Science 332 (6033): 1062-1064 (2011).

READMORE

Electrical contact with a bit of the quantum world

Detecting excitation and magnetization of individual dopants in a semiconductor,
A. A. Khajetoorians, B. Chilian, J. Wiebe, S. Schuwalow, F. Lechermann, and R. Wiesendanger,
Nature 467, 1084–1087 (2010).

READMORE

Imaging and manipulation of atomic spins

Imaging and Manipulating the Spin Direction of Individual Atoms
D. Serrate, P. Ferriani, Y. Yoshida, S.-W. Hla, M. Menzel, K. von Bergmann, S. Heinze, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger,
Nature Nanotechnology 5, 350 - 353 (2010).

READMORE

How conduction electrons mediate between atomic bits

Strength and directionality of surface Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida interaction mapped on the atomic scale,
L. Zhou, J. Wiebe, S. Lounis, E. Vedmedenko, F. Meier, S. Blügel, P. H. Dederichs, and R. Wiesendanger,
Nature Physics 6, 187 - 191 (2010).

READMORE

La-Ola in nanomagnets

Magnetization Reversal of Nanoscale Islands: How Size and Shape Affect the Arrhenius Prefactor,
S. Krause, G. Herzog, T. Stapelfeldt, L. Berbil-Bautista, M. Bode, E.Y. Vedmedenko, and R. Wiesendanger,
PRL 103, 127202 (2009).

READMORE

Atomic bits in sight

Revealing magnetic interactions from single-atom magnetization curves,
F. Meier, L. Zhou, J. Wiebe, and R. Wiesendanger,
Science 320, 82-86 (2008).

 

READMORE

Movement in the nanoworld

Atomically resolved mechanical response of individual metallofullerene molecules confined inside carbon nanotubes,
M. Ashino, D. Obergfell, M. Halu ka, S. Yang, A. N. Khlobystov, S. Roth, and R. Wiesendanger,
Nature Nanotechnology 3, 337 - 341 (2008).

  READMORE

Magnetic data storage technology of the future

Current-Induced Magnetization Switching with a Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope,
S. Krause, L. Berbil-Bautista, G. Herzog, M. Bode, and R. Wiesendanger,
Science 317 no. 5844 pp. 1537-1540 (2007).

  READMORE

Magnetic turning sense in the nanoworld

Chiral magnetic order at surfaces driven by inversion asymmetry,
M. Bode, M. Heide, K. von Bergmann, P. Ferriani, S. Heinze, G. Bihlmayer, A. Kubetzka, O. Pietzsch, S. Blügel, and R. Wiesendanger,
Nature 447, 190-193 (2007).

 

READMORE

Hamburg scientists manage the mapping of individual atomic magnetic moments of non-conductors

Magnetic exchange force microscopy with atomic resolution,
U. Kaiser, A. Schwarz, and R. Wiesendanger
Nature 446, 522-525 (2007).

READMORE