Schreibgeschwindigkeit: Terahertz

Mit einer Frequenz von mehreren Terahertz sausen Daten durch die Glasfaserkabel. Am PC oder Fernseher angekommen, muss diese Geschwindigkeit auf die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit der Bauteile gedrosselt werden – derzeit auf einige hundert Gigahertz.

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Technologie entwickelt, mit der sich die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit auf das Hundertfache erhöhen und die Lücke zwischen Transport- und Verarbeitungsgeschwindigkeit schließen lässt.

Gebannt starren die Fans auf den Bildschirm. Ja, das könnte ein Tor für die Deutschen… Nein! Knapp verfehlt! Per UHD werden ausgewählte Spiele der Weltmeisterschaft gestochen scharf auf den heimischen Fernseher übertragen.

Meistens jedenfalls: Denn immer wieder einmal reicht die Bandbreite der Übertragungswege für die Datenmenge nicht aus oder die Daten können nicht schnell genug verarbeitet werden, das Bild ruckelt oder die hohe Auflösung wird für kurze Zeit heruntergeschraubt – die Fans müssen sich in dieser Zeit mit dem „normal“ aufgelösten Bild begnügen.

Künftig könnten die zu geringen Bandbreiten der Vergangenheit angehören: Forscher der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik haben gemeinsam mit ihren Kollegen von der JGU eine Möglichkeit entdeckt, die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit drastisch zu erhöhen. Genauer gesagt: um das Hundertfache, auf ein Terahertz.

Ferromagnetische und antiferromagnetische Speicher

Um den Hintergrund zu verstehen, zunächst einen Ausflug zum Prinzip der magnetischen Speicher. Üblicherweise basieren magnetische Datenspeicher auf ferromagnetischen Materialien. Diese weisen jedoch in zweierlei Hinsicht Grenzen auf: Zum einen lassen sich die Daten nicht beliebig dicht packen, die Kapazität der Speicher stößt an ein natürliches Limit.

Denn die Daten werden in einer Art winziger Stabmagneten gespeichert, die je nach Ausrichtung eine Null oder eine Eins symbolisieren. Befinden sich diese „Stabmagneten“ jedoch zu nah aneinander, beeinflussen sie sich gegenseitig. Zum anderen ist die Geschwindigkeit, mit der sich diese Datenspeicher beschreiben lassen, limitiert. Schneller als im Gigahertzbereich geht es nicht – ansonsten wird der Energieaufwand immens.

Anders dagegen bei den antiferromagnetischen Speichern. Sie lassen sich deutlich dichter beschreiben – denn die „Stabmagneten“ liegen hier immer abwechselnd ausgerichtet und beeinflussen sich somit nicht gegenseitig. Es lassen sich damit deutlich mehr Daten darauf ablegen. Zum anderen lösen sie das Problem der limitierten Schreibgeschwindigkeit.

Antiferrogmagnetische Speicher schließen die Terahertz-Lücke

„Sollen Daten verschickt werden – etwa die Bilder einer Fußball-Übertragung – verwendet man dafür Licht, das via Glasfaserkabeln verschickt wird“, erläutert Prof. Dr. Jairo Sinova, Leiter der Gruppe „Interdisciplinary Spintronics Research“ der JGU.

„Dieses ist mit Frequenzen im Terahertz-Bereich extrem schnell. Derzeit muss diese Geschwindigkeit für die Verarbeitung im Computer oder Fernseher gedrosselt werden – denn dort werden die Daten auf elektrischem Wege verarbeitet und gespeichert, die Geschwindigkeit liegt hier bei einigen hundert Gigahertz. Die antiferromagnetischen Speicher sind nun erstmals in der Lage, direkt mit den Daten im Terahertz-Bereich zu arbeiten.“

Mit dieser Technologie braucht das Signal am Gerät also nicht mehr verlangsamt werden, sondern kann auch auf dem Computer oder Fernseher mit Terahertz-Geschwindigkeit verarbeitet werden.

Die ersten Forschungen unternahmen die Wissenschaftler bereits im Jahr 2014. Sie schickten einen elektrischen Strom durch die Antiferromagneten und richteten die kleinen Speichereinheiten darauf auf diese Weise aus. Dazu nutzten sie ein Kabel – also eine langsame Verbindungsweise.

„Statt des Kabels nutzen wir nun einen kurzen Laserpuls, über den wir einen elektrischen Strom induzieren. Dieser Strom richtet die ‚Stabmagneten‘, also die Spins, aus“, erklärt Sinova. Statt per Kabel arbeitet der neue Speicher also kabellos, statt direkten elektrischen Strom anzulegen, induziert man diesen durch Licht. Auf diese Weise konnten die Forscher die Geschwindigkeit drastisch erhöhen – und die Basis dafür legen, dass künftig auch Ultra-High-Definition-Bilder ruckelfrei beim Nutzer ankommen.

Veröffentlichungen:
Jakub Železný et al.
Relativistic Néel-Order Fields Induced by Electrical Current in Antiferromagnets
Physical Review Letters, 6. Oktober 2014
DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.157201
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.157201

Kamil Olejník et al.
Terahertz electrical writing speed in an antiferromagnetic memory
Science Advances, 23. März 2018
DOI: 10.1126/sciadv.aar3566
http://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3566.full

Kontakt:
Elena Hilp
SPICE – INSPIRE
Physik der Kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-21259
E-Mail: spice@uni-mainz.de

Weiterführende Links:
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/ – Interdisciplinary Spintronics Research Group (INSPIRE)
https://www.spice.uni-mainz.de/ – Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE)
https://www.iph.uni-mainz.de – Institut für Physik der JGU

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/64789.php – Pressemitteilung „Spin Phenomena Interdisciplinary Center an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz eröffnet“ (22.04.2015)
http://www.uni-mainz.de/presse/59190.php – Pressemitteilung „Jairo Sinova erhält ERC-Förderung für die Entwicklung neuer Konzepte in der Spintronik“ (22.01.2014)