Wednesday, 23. October 2019

Physiker der Saar-Uni wollen neuartige Mikroelektronik entwickeln

Technische Systeme und Geräte wie Computer, Handys, Flugzeuge und Autos werden alle durch Mikroelektronik gesteuert, die auf der elektrischen Ladung von Teilchen basiert. Diese elektronischen Komponenten sind allerdings empfindlich, da für den Fluss der geladenen Elektronen eine komplexe Schaltung nötig ist. Stark vereinfachen könnte man dies in vielen Fällen, wenn man stattdessen eine andere Eigenschaft von Elektronen nutzen könnte: den Elektronenspin. Dieser Eigendrehimpuls eines Elektrons ist eine unveränderliche Größe, so dass er ebenso verlässlich als Informationsspeicher dienen könnte. Wissenschaftler um Professor Uwe Hartmann von der Universität des Saarlandes möchten kostengünstige Mikroelektronik entwickeln, die auf diesem Grundprinzip basiert. Das Bundesforschungsministerium fördert seine Arbeitsgruppe und die Projektpartner aus ganz Deutschland nun mit rund 1,6 Millionen Euro.

Öffnet man heute ein beliebiges technisches Produkt, sei es ein Handy, ein Computer oder auch ein Flugzeug, sieht eines oft ähnlich aus: Die Elektronik unter den Hüllen und Verkleidungen. Grüne Platinen, auf denen Schaltungen miteinander verbunden sind, über die positiv oder negativ geladene Teilchen hin- und herflitzen und so Informationen von A nach B transportieren. Diese Teilchen setzen die Befehle der Nutzer in Taten um, also etwa „Anruf bei Mutti“ oder „Sinkflug einleiten“. Dieses elektronische Grundprinzip ist allen technischen Geräten heute zu eigen. Alle funktionieren sie nach dem Prinzip, dass Strom von A nach B fließt.

Zwar ist es mittlerweile möglich, diese Eigenschaft viele Jahre oder gar Jahrzehnte aufrecht zu erhalten. Aber nach einer gewissen Zeit schwächt sich der Elektronenfluss ab. Auf einem lange nicht genutzten USB-Stick äußert sich dies dann zum Beispiel, indem Informationen verloren gehen.

Anders verhalten sich Bauteile, die mit dem Prinzip des Elektronenspins arbeiten, den man sich als eine Art feststehenden Drehimpuls eines Elektrons vorstellen kann. Ähnlich wie ein angeschnittener Tischtennisball oder wie die Drehung der Erde rotiert das Elektron, allerdings ohne dass der Drehimpuls schwächer wird wie bei den genannten Beispielen. „Der Spin kann über sehr lange Zeiträume erhalten bleiben“, erklärt Uwe Hartmann, Experimentalphysiker und Professor für Nanostrukturforschung und Nanotechnologie an der Universität des Saarlandes. Außerdem ist er deutlich unempfindlicher gegen äußere Einflüsse. „Ein Flugzeug beispielsweise, das in zehn Kilometern Höhe fliegt, muss gegen die starke ionisierende Strahlung in dieser Höhe abgeschirmt werden, damit seine Elektronik nicht ausfällt“, erklärt der Physiker. Wäre statt der Elektronik hingegen so genannte Spintronik verbaut, wäre dies nicht nötig, da der Elektronenspin von der Strahlung in dieser Höhe nicht beeinflusst wird.

Um die Grundlagen solcher spintronischer Bauelemente weiter zu verstehen und einen Sensor-Prototypen zu entwickeln, haben sich daher nun die Arbeitsgruppen mehrerer deutscher Hochschulen und Industrieunternehmen zusammengeschlossen. Im Programm „Forschung für neue Mikroelektronik (ForMikro)“ des Bundesforschungsministeriums wird das Konsortium, das von Uwe Hartmann koordiniert wird, seit Oktober 2019 mit rund 1,6 Millionen Euro gefördert, von denen 740.000 Euro an die Universität des Saarlandes fließen.

Zwar gibt es bereits spintronische Bauteile, zum Beispiel hochempfindliche Sensoren. Diese kosten allerdings aktuell deutlich über 100 Dollar pro Stück und sind somit für einen massenhaften Gebrauch nicht geeignet. Der Grund ist eine komplizierte Mikrowellen-Elektronik, die zum Betrieb der Sensoren benötigt wird. „Wir wollen nun erstmals einen integrierten Schaltkreis aus verschiedenen Elementen bauen, der gar keine komplizierte Schalt-Elektronik mehr braucht. Unser Ziel ist ein Prototyp, der nur noch eine kleine Batterie benötigt, um zu funktionieren“, erläutert Uwe Hartmann das Ziel des Forschungsverbundes, der bis September 2023 gefördert wird. Später könnten sich solche spintronischen Bauteile für den großflächigen Gebrauch in Alltagstechnik eignen, zum Beispiel als kostengünstige Sensoren in Handys, als Mess-Sensoren für wissenschaftliche oder medizinisch-diagnostische Anwendungen.

Auch für Zukunftstechnologien könnten die spintronischen Bauteile hilfreich sein. Bei allen bekannten theoretischen Konzepten und Laborerfahrungen: „Irgendjemand muss die Elektronik der Zukunft ja auch mal in Form von Massenprodukten  bauen“, stellt Uwe Hartmann pragmatisch fest. Und derzeit hätten zwar die Asiaten und die Amerikaner in der Halbleitertechnologie einen großen Vorsprung, da Europa hier den Anschluss verpasst habe. Mit Fortschritten in der Spintronik hingegen könnte sich das Blatt auch wieder wenden. „Dann werden die Karten neu gemischt“, prognostiziert Hartmann.

Das Projekt „Erforschung neuartiger Magnetsensoren auf Basis spintronischer Effekte“ wird im Rahmen des BMBF-Programms „Forschung für neue Mikroelektronik (ForMikro)“ für vier Jahre mit 1,6 Millionen Euro gefördert. Neben der Universität des Saarlandes sind außerdem beteiligt: Universität Halle-Wittenberg, Universität Bielefeld, Sensitec GmbH, Singulus Technologies AG, SENSYS GmbH.

Kontakt:
Prof. Dr. Uwe Hartmann
Tel.: (0681) 302-3799 oder -3798
E-Mail: u.hartmann@mx.uni-saarland.de