Physiker zeigen, wie sich Frequenzen ohne spezielle Schaltungen einfach vervielfachen lassen

Eine neue Entdeckung von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) könnte bestimmte Komponenten in Computern und Smartphones obsolet machen. Dem Team ist es gelungen, Frequenzen in einem gemeinsamen Magnetmaterial direkt in höhere Bereiche umzuwandeln, ohne dass zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Die Frequenzvervielfachung ist ein grundlegender Prozess in der modernen Elektronik. Das Team berichtet über seine Forschung in der neuesten Ausgabe von Wissenschaft.

Digitale Technologien und Geräte sind bereits für rund zehn Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich, Tendenz stark steigend. „Es ist daher notwendig, effizientere Komponenten für die Informationsverarbeitung zu entwickeln“, sagt Professor Georg Woltersdorf, Physiker von der MLU.

Nichtlineare elektronische Schaltungen werden typischerweise verwendet, um die hochfrequenten Gigahertz-Signale zu erzeugen, die zum Betrieb heutiger Geräte benötigt werden. Das Team der MLU hat nun einen Weg gefunden, dies innerhalb eines Magnetmaterials ohne die dafür üblichen elektronischen Bauteile zu tun. Stattdessen wird die Magnetisierung durch eine niederfrequente Megahertz-Quelle angeregt. Mit dem neu entdeckten Effekt erzeugt die Quelle mehrere Frequenzkomponenten, die jeweils ein Vielfaches der Anregungsfrequenz sind. Diese decken einen Bereich von sechs Oktaven ab und reichen bis zu mehreren Gigahertz. „Das ist, als würde man auf einem Klavier den tiefsten Ton anschlagen und gleichzeitig die entsprechenden harmonischen Töne der höheren Oktaven hören“, erklärt Woltersdorf.

Der überraschende Effekt der Frequenzvervielfachung wird durch das synchronisierte Umschalten der dynamischen Magnetisierung im Mikrometerbereich erklärt. „Verschiedene Bereiche schalten nicht gleichzeitig, sondern werden wie bei einer fallenden Dominoreihe durch benachbarte Bereiche ausgelöst“, erklärt Erstautor Chris Körner vom Institut für Physik der MLU.

Die Entdeckung könnte auch dazu beitragen, digitale Technologien in Zukunft energieeffizienter zu machen. Es ist auch wichtig für neue Anwendungen. Die heutige Mikroelektronik nutzt Elektronenladungen als Informationsträger. Ein großer Nachteil dieser Methode ist, dass der elektrische Ladungstransport Wärme freisetzt und daher viel Energie benötigt. Eine vielversprechende Lösung könnte die Spinelektronik bieten. Neben der Ladung des Elektrons nutzt es auch dessen magnetisches Moment, den sogenannten Spin. Seine Eigenschaften eröffnen die Möglichkeit, die Energieeffizienz deutlich zu verbessern. Der neu entdeckte Effekt könnte platzsparende und effiziente Frequenzquellen für die Spinelektronik im Gigahertz-Bereich ermöglichen.

Zur Verfügung gestellt von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg