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Winziger Magnetwirbel könnte Grundlage für ultraeffizienten Speicher bilden
Ein Speicherbit aus einem winzigen Magnetwirbel: In einem Supraleiter lässt sich seine Position zwischen zwei Orten verändern, ohne viel Energie zu verbrauchen. Experimente zeigen, wie gering der Energieverlust bei dieser Bewegung sein kann. Für das gezielte Löschen eines Bits errechnet ein Modell etwa das Fünffache der physikalischen Mindestenergie, allerdings bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Jerusalem (Israel). Jede Rechenoperation benötigt Energie, doch für das Löschen einer Information gibt es eine besonders grundlegende Grenze. Nach dem Landauer-Prinzip muss beim unumkehrbaren Zurücksetzen eines Bits mindestens eine bestimmte Wärmemenge an die Umgebung abgegeben werden. Diese Untergrenze hängt von der Temperatur ab und liegt weit unter dem Energiebedarf gewöhnlicher elektronischer Schaltungen.
Zum Speichern von Nullen und Einsen müssen physikalische Systeme zwei unterscheidbare Zustände besitzen. Bei gewöhnlichen Speichern sind dies beispielsweise elektrische Ladungen oder magnetische Ausrichtungen. In einem Supraleiter kommt auch ein winziger Wirbel aus elektrischen Strömen infrage, der einen quantisierten magnetischen Fluss trägt.
Forscher der Hebräischen Universität Jerusalem (HUJI) um Nofar Fridman haben nun untersucht, wie viel Energie für die Bewegung eines einzelnen solchen Wirbels nötig ist. Dazu nutzten sie einen 55 Nanometer dünnen Niobfilm, der bei tiefer Temperatur supraleitend wird. Lokale Haftstellen im Material hielten den Wirbel in zwei benachbarten Positionen fest, die den Bitwerten null und eins entsprechen könnten.
Ein wechselnder Strom übte eine Kraft auf den Wirbel aus und ließ ihn zwischen diesen Positionen pendeln. Wie viel Energie dabei verloren ging, bestimmten die Forscher nicht durch eine winzige Erwärmung, sondern anhand der zeitlich verzögerten magnetischen Antwort. Dafür setzten sie einen besonders empfindlichen Magnetfeldsensor ein, ein sogenanntes SQUID-on-Tip-Mikroskop.
„Unsere Arbeit misst die Energie, die zum Betrieb eines auf supraleitenden Wirbeln beruhenden Speicherbits erforderlich ist“, erklärt Dr. Yonathan Anahory von der Hebräischen Universität Jerusalem.
Die Messergebnisse zeigen, dass der Energieaufwand für einen vollständigen Hin- und Rückweg des Wirbels in einzelnen Messreihen nur ungefähr viermal so hoch war wie die Landauer-Grenze. Das bedeutet jedoch noch nicht, dass damit ein Bit gelöscht wurde. Denn die Messanordnung bewegte den Wirbel fortlaufend mit einem periodischen Antrieb, während beim echten Löschen ein zuvor unbekannter Ausgangswert auf einen festgelegten Wert gesetzt werden muss.
„Ein Wirbel ist ein außerordentlich kleines und empfindliches Objekt, deshalb ist die Messung der bei seiner Bewegung verlorenen Energie eine große experimentelle Herausforderung“, erläutert Nofar Fridman.
Um den Energiebedarf einer wirklichen Löschung abzuschätzen, ergänzte das Team seine Messungen durch Monte-Carlo-Simulationen. Darin startete der Wirbel zufällig in einer der beiden Positionen und wurde anschließend gezielt in einen vorgegebenen Zustand gebracht. Für diese einmalige Löschoperation ergab die Rechnung bei einer Antriebsfrequenz von 150 Kilohertz einen Energieaufwand von etwa dem Fünffachen der Landauer-Grenze.
Der Wert ist bemerkenswert niedrig, doch er ist ein Modellergebnis und keine direkt gemessene Löschenergie. Im Versuch wurde ausschließlich die Verlustenergie der kontinuierlichen Wirbelbewegung bestimmt. Die beiden Verfahren unterscheiden sich insbesondere darin, ob der Anfangszustand bereits bekannt ist oder nicht.