Viel kleinere, effizientere, energiesparendere Computer

Robert Wolkowuniversity-of-alberta-logo, Physikprofessor an der University of Alberta, hat zusammen mit Mitarbeitern des Max-Plank-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg Forschungsergebnisse veröffentlichtmpsd.mpi logo, die zeigen, wie elektrische Schalter von atomarer Dimension hergestellt werden können, viele Male kleiner als die derzeit verwendeten. Elektrische Ströme lassen sich nun auf kleinstem Raum ein- und ausschalten, so dass eine neue Generation von „grüner Elektronik“ mit großem Einfluss auf die digitale Wirtschaft entstehen kann. Veröffentlicht am 26.10.2016 in Nature Communications.

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Robert Wolkow, Physikprofessor an der Universität von Alberta und Forschungsreferent des Kanadischen Nationalen Instituts für Nanotechnologie, hat eine Technik entwickelt, um einen einatomigen Kanal zu schaltenFoto © John Ulan

jacob-a-burgess-foto-mpi-fuer-struktur-und-dynamik-der-materieJacob A. J. Burgess und Sebastian Loth vom ‚MPI für Struktur und Dynamik der Materie‘ in Hamburg sind Koautoren des Nature-Forschungsberichts. sebastian-loth-foto-mpsd-cmd-cfel-deLoth leitet in der Abteilung „Dynamik kondensierter Materie“ (Direktor Andrea Cavalleri) eine unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe zum Thema „Dynamik Nanoelektronischer Systeme“. Jacob Burgess ist Postdoktorand in  Loths Gruppe.

Technologische Revolution

Mit Anwendungen für praktische Systeme wie Silizium-Halbleiter-Elektronik bedeutet das „kleinere, effizientere, energiesparendere Computer – nur ein Beispiel für die technologische Revolution, die sich vor unseren Augen entfaltet (wenn man so hart schielen kann)“ – wie Science Daily schreibt.

„Dies ist das erste Mal, dass jemand die Umschaltung eines einzelnen Atomkanals beobachtet hat“, erklärt Wolkow. „Sie haben von einem Transistor gehört – einem Schalter für Strom – gut, unsere Schalter sind fast hundertmal kleiner als die kleinsten auf dem Markt heute.“ Die heutigen kleinsten Transistoren arbeiten auf der 14-Nanometer-Ebene, die noch Tausende von Atomen darstellt. Wolkow und sein Team an der University of Alberta, NINT und sein Spin-off QSi, haben die Technologie bis herunter auf nur wenige Atome reduziert. Da Computer lediglich eine Ansammlung vieler Ein- und Aus-Schalter darstellen, zeigen die Erkenntnisse nicht nur einen neuen Weg für hocheffizientes Allzweck-Computing, sondern auch zum Quantencomputing.

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Die Manipulation der Atome hat ein neues Niveau erreicht: Schweizer Physiker konnten schon 2014 20 einzelne Atome auf einer vollisolierten Oberfläche bei Raumtemperatur platzieren, um das kleinste „Schweizer Kreuz“ zu bilden – ein großer Schritt in Richtung atomare Speicher der nächsten Generation – Bild © Department Physik der Universität Basel

Folgt: „Ultra-grüne“, energiesparende Allzweckcomputer

„Ultra-grüne“, energiesparende Allzweckcomputer

„Wir nutzen diese Technologie, um ‚ultra-grüne‘, energiesparende Allzweckcomputer zu bauen, aber auch die Entwicklung von Quantencomputern weiter voranzutreiben. Wir bauen die energiesparende Elektronik überhaupt auf und verbrauchen etwa tausendmal weniger Strom als die heutige Elektronik. “

So klein die neue Technologie Wolkows ist, so groß könnten ihre potenziellen gesellschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Auswirkungen sein. Heute verbraucht unsere Elektronik einige Prozent der weltweiten Elektrizität. Mit zunehmender Größe des Energiebedarfs der digitalen Wirtschaft gewinnt die Material- und Energieerhaltung immer mehr an Bedeutung. Laut Wolkow hat es überraschend viel Vorteile, kleiner zu sein, sowohl für normale Computer als auch für Quantencomputer. „Quanten-Systeme zeichnen sich durch ihre unsichere Speicherung aus, aber je kleiner das System wird, desto weniger wackelig ist es.“ Daher kann Wolkow ein System erschaffen, das gleichzeitig erstaunlich klein ist, weniger Material verbraucht und weniger Energie verbraucht, während Informationen sicher gespeichert werden können.

Die Animation stellt einen elektrischen Strom dar, der ein- und ausgeschaltet wird. Bemerkenswerterweise beschränkt sich der Strom auf einen Kanal, der nur eine Atombreite beträgt. Außerdem besteht der Schalter aus nur einem Atom. Wenn das Atom in der Mitte ein elektrisches Feld „fühlt“, das an ihm „zieht“, verliert es sein Elektron. Sobald dieses Elektron verloren geht, haben die vielen Elektronen im Körper des Siliziums (links) freien Durchgang. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, wird ein Elektron im Zentralatom gefangen und schaltet den Strom ab. Mit freundlicher Genehmigung © Universität von Alberta

Wolkow ist einer der wenigen Menschen auf der Welt, die von Produktion im atomaren Maßstab sprechen, und er glaubt, dass wir Zeugen einer heraufziehenden Revolution seien. Wenn die neue Technologie vollständig entwickelt sei, werde es nicht nur zu einem kleineren Energie-Fußabdruck, sondern auch zu erschwinglichen Systemen für die Verbraucher führen.

„Das ist etwas, worüber man noch nichts hört, aber die Atom-Produktion wird die Welt verändern.“ Die Leute denken, es ist nicht machbar, aber wir machen aus Atomen bereits routinemäßig Dinge – und das nicht nur aus Selbstzweck. Wir machen es, weil die Dinge, die wir machen können, immer mehr wünschenswerte Eigenschaften haben. Sie sind nicht nur kleiner. Sie sind anders und besser. Dies ist nur der Anfang dessen, was mindestens ein Jahrhundert der Entwicklungen in atomaren Dimensionen bedeutet, und es wird umwälzend sein“, so Wolkow.

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Ein atomarer Speicher. In gerade mal 12 Atomen bringen Forscher von IBM und der Max-Planck-Gesellschaft ein Datenbit unter. Die abwechselnde Blau und Weiß-Färbung verdeutlicht die antiferromagnetische Anordnung – Bild © Sebastian Loth

Loth (laut elektronik-informationen.de): „In meinem Labor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie und dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg untersuchen wir kleinste und schnellste Prozesse in Magneten. Dazu entwickeln wir neuartige Mikroskopie-Methoden, die in die Welt einzelner Atome vordringen und ultraschnelle Quantenprozesse beobachten können.“

Und Burgess, federführender Wissenschaftler in der erfolgreichen Kooperation mit dem National Institute for Nanotechnology, ergänzt: „Zusammen mit Professor Wolkows Forschergruppe haben wir unsere ultraschnellen Mikroskopie-Methoden erfolgreich auf ein neues Materialsystem anwenden können, das für die Halbleitertechnologie hochrelevant ist. Die Fähigkeit, elektrischen Strom auf atomarer Skala zu schalten, eröffnet großartige Möglichkeiten. Unter anderem konnten wir messen, mit welcher Geschwindigkeit sich einzelne Dotieratome in Silizium laden und entladen lassen. Diese Zeitskalen zu verstehen, ist unerlässlich, um das technologische Potenzial von Einzelatom-Sschaltkreisen auszuloten“.

->Quellen: