Der Strombedarf moderner Rechenzentren nimmt durch Fortschritte und Ausbau kontinuierlich zu. Energieeffiziente Computerchips auf Basis atomdünner Multiferroika könnten eine Lösung für dieses Problem darstellen. Einem Forschungsteam ist es kürzlich gelungen, bisherige Limitierungen zu überwinden und ultrakompakte Nanospeicher stabil zu halten.
Durchaus vielversprechende multiferroische Materialien standen in der Vergangenheit häufig vor einem Problem. Sie verloren bislang ihre nutzbaren elektrischen und magnetischen Eigenschaften, sobald sie für moderne Elektronik zu dünn wurden. Ein Forscherteam von der Brown University wies kürzlich nach, dass das Material Bismutferrit eine potenzielle Lösung darstellen könnte.
Eine Untersuchung zeigt, dass die hauchdünne nur ein Ångström dicke Struktur (ein Hundertmillionstel Zentimeter) ihre multiferroischen Eigenschaften beibehalten kann, wenn sie mechanisch und elektrisch gezielt stabilisiert wird.
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Multiferroika vereinen zwei Welten, die in Computerchips meist getrennt operieren: die elektrische Polarisierung und Magnetismus. Das bedeutet, dass eine winzige elektrische Spannung die Ladung umpolt, um digitale Nullen und Einsen zu schreiben. Dadurch ist es später möglich, die Daten magnetisch auszulesen.
So soll das Potenzial für Speicher- und Logikbausteine entstehen, die deutlich weniger Strom verbrauchen. Doch bislang scheiterte die Nanotechnik an der berüchtigten „toten Schicht“. Sobald Forscher die Kristalle im Labor extrem dünn fertigten, brachen atomare Fehlordnungen und elektrische Störfelder aus, die jeden Nutzeffekt neutralisierten.
Bringt ein künstliches Korsett bald energieeffiziente Computerchips
Um dieses physikalische Problem zu lösen, entwickelten die Wissenschaftler ein spezielles System mit drei Schichten. Die Basis bildet ein Trägersubstrat aus Dysprosiumscandat. Der Abstand zwischen den Atomen in diesem Material ist kleiner als im Bismutferrit. Dadurch wird die darüberliegende Bismutferrit-Schicht beim Wachstum mechanisch zusammengedrückt. Dieser Druck wirkt wie ein straffes Korsett und zwingt die Atome in eine stabile Anordnung. Zusätzlich gibt es eine weitere metallische Schicht, die störende elektrische Felder effektiv abschirmt.
Dabei gewannen die Physiker eine neue Einsicht. Die ultradünne Schicht bildet Altermagnetismus aus. Altermagnete kombinieren die enorme Auslesegeschwindigkeit und streufeldfreie Natur von Antiferromagneten mit dem starken, klar lesbaren Signal von Ferromagneten. Denn weil keine störenden Magnetfelder auf benachbarte Bereiche überspringen, lassen sich Speicherzellen extrem eng zusammenpacken. Studienleiter Lucas Caretta zu den Vorteilen:
Altermagnete sind gewissermaßen das Beste aus beiden Welten – sie können schnell sein, sich dicht integrieren lassen und liefern dennoch ein starkes elektrisches Signal zum Auslesen.
Effiziente Hardware und eine Bremse für den KI-Energiehunger
Doch was bedeutet dieser Laborerfolg für die Zukunft der Hardware? Wenn künftige Speicher- und Logikbausteine deutlich weniger Strom verbrauchen, senkt das den Energiebedarf von Rechensystemen erheblich. Künftige Computerchips und elektronische Komponenten könnten dadurch wesentlich energieeffizienter arbeiten und dichter gebaut werden.
Besonders relevant ist dieser Fortschritt mit Blick auf künstliche Intelligenz, die den Bedarf an Rechenleistung massiv antreibt. Eine extrem dichte, verlustarme Architektur könnte laut den Forschern als dringend benötigte Effizienzbremse wirken.
Bei den Ergebnissen handelt es sich dennoch noch um reine Grundlagenforschung. Ein marktreifer Prozessor oder serienreifer Speicherchip existiert bislang nicht. Daher wird wahrscheinlich noch viel Entwicklungszeit benötigt, bis erste Computerchips mit der neuen Technologie in der Praxis zum Einsatz kommen.
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