Die Entdeckung neuer Quantenmaterialien mit magnetischen Eigenschaften könnte den Weg für ultraschnelle und deutlich energieeffizientere Computer und mobile Geräte ebnen. Bisher hat sich gezeigt, dass diese Arten von Materialien nur bei extrem kalten Temperaturen funktionieren. Jetzt ist es einem Forschungsteam der Chalmers University of Technology in Schweden erstmals gelungen, ein Gerät aus einem zweidimensionalen magnetischen Quantenmaterial bei Raumtemperatur zum Laufen zu bringen.
Die heutige rasante IT-Expansion erzeugt enorme Mengen digitaler Daten, die gespeichert, verarbeitet und kommuniziert werden müssen. Dies geht mit einem ständig steigenden Energiebedarf einher, der bis 2050 voraussichtlich mehr als 30 % des gesamten Energieverbrauchs der Welt verbrauchen wird. Um dieses Problem zu bekämpfen, hat die Forschungsgemeinschaft ein neues Paradigma in der Materialwissenschaft betreten. Die Erforschung und Entwicklung von zweidimensionalen Quantenmaterialien, die sich in Schichten bilden und nur wenige Atome dick sind, haben neue Türen für eine nachhaltige, schnellere und energieeffizientere Datenspeicherung und -verarbeitung in Computern und Mobiltelefonen geöffnet.
Das erste atomar dünne Material, das in einem Labor isoliert wurde, war Graphen, eine einzelne Atomschicht aus Graphit, das 2010 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Und 2017 wurden erstmals zweidimensionale Materialien mit magnetischen Eigenschaften entdeckt. Magnete spielen eine grundlegende Rolle in unserem täglichen Leben, von Sensoren in unseren Autos und Haushaltsgeräten bis hin zu Computerdatenspeicher- und Speichertechnologien, und die Entdeckung eröffnete neue und nachhaltigere Lösungen für eine breite Palette von Technologiegeräten.
„Zweidimensionale magnetische Materialien sind nachhaltiger, weil sie atomar dünn sind und einzigartige magnetische Eigenschaften bieten, die sie attraktiv für die Entwicklung neuer energieeffizienter und ultraschneller Anwendungen für Sensoren und fortschrittliche magnetische Speicher- und Computerkonzepte machen. Dies macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für eine Reihe verschiedener Technologien“, sagt Saroj Dash, Professor für Quantengerätephysik an der Chalmers University of Technology.
Das erste, das magnetbasierte 2D-Geräte bei Raumtemperatur demonstriert
Bisher konnten Forscher zweidimensionale Magnete nur bei extrem niedrigen Temperaturen in Laborumgebungen, sogenannten kryogenen Temperaturen, demonstrieren, was ihre breitere Verwendung in der Gesellschaft verhindert. Aber jetzt konnte eine Gruppe von Forschern an der Chalmers University of Technology zum allerersten Mal ein neues zweidimensionales Gerät auf Magnetmaterialbasis bei Raumtemperatur demonstrieren. Sie verwendeten eine Legierung auf Eisenbasis (Fe5GeTe2) mit Graphen, die als Quelle und Detektor für spinpolarisierte Elektronen verwendet werden kann. Und der Durchbruch soll nun eine Reihe von technischen Anwendungen in mehreren Branchen sowie in unserem Alltag ermöglichen.
„Diese 2D-Magnete können verwendet werden, um ultrakompakte, schnellere und energieeffizientere Speichergeräte in Computern zu entwickeln. Sie können auch verwendet werden, um hochempfindliche Magnetsensoren für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln, einschließlich biomedizinischer und Umweltüberwachung, Navigation, und Kommunikation“, erklärt Bing Zhao, Postdoc in Quantum Device Physics und Erstautor der in veröffentlichten Studie Fortgeschrittene Werkstoffe.
Herkömmliche elektronische Logikbausteine basieren auf nichtmagnetischen Halbleitern und nutzen den Fluss elektrischer Ladungen zur Informationsverarbeitung und -kommunikation. Spintronische Geräte hingegen nutzen den Spin von Elektronen, um Ladungsströme zu erzeugen und zu steuern und elektrische und magnetische Signale ineinander umzuwandeln. Durch die Kombination von Verarbeitung, Speicherung, Sensorik und Logik innerhalb einer einzigen integrierten Plattform könnte die Spintronik halbleiterbasierte Elektronik ergänzen und in einigen Fällen sogar übertreffen und Vorteile in Bezug auf Skalierung, Stromverbrauch und Datenverarbeitungsgeschwindigkeit bieten.
Mehr Informationen:
Bing Zhao et al, Ein Raumtemperatur-Spinventil mit Van-der-Waals-Ferromagnet Fe 5 GeTe 2 /Graphen-Heterostruktur, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202209113