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Magnete unter Strom: Forscher beschreiben neue Datenverarbeitung

Von Martin‐Luther‐Universität Halle‐Wittenberg
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    Die Eigenschaften von künstlich hergestellten Magneten lassen sich mithilfe von Strom verändern und steuern. Das legen Analysen und Simulationen von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Central South University in China nahe. Im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet das Team, wie Magnete und magnetische Signale effektiver an elektrische Felder gekoppelt und dadurch gesteuert werden können. Daraus könnten sich neue, umweltschonende Konzepte zur effizienten Datenübertragung und -verarbeitung ergeben.

    Magnete kommen immer dann zum Einsatz, wenn große Datenmengen gespeichert werden sollen. Gleichzeitig können sie zur Signalübertragung und -bearbeitung dienen, zum Beispiel in Bauteilen.  Sollen diese Daten oder Signale verändert werden, müssen externe Magnetfelder auf die Speicher einwirken. Das hat einige Nachteile.

    „Die Erzeugung von Magnetfeldern, zum Beispiel mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule, benötigt viel Energie und ist zu dem relativ langsam“, sagt Prof. Dr. Jamal Berakdar vom Institut für Physik der MLU. Abhilfe könnten elektrische Felder schaffen. „Allerdings reagieren Magnete eigentlich nur sehr schwach auf elektrische Felder, weshalb sich magnetisch-basierte Daten kaum durch elektrische Spannung wirklich effizient steuern lassen“, so der Forscher weiter.

    Das Team aus Deutschland und China suchte deshalb nach einem neuen Konzept, um die Reaktion von Magnetismus auf elektrische Felder zu verstärken. „Wir wollten herausfinden, ob aufeinander gestapelte magnetische Schichten fundamental anders auf elektrische Felder reagieren“, erklärt Berakdar. Die Idee: Die Schichten dienen dann als Datenleiter für magnetisch-basierte Signale.

    Fügt man zwischen zwei Schichten ein unter Spannung stehende Metallschicht, zum Beispiel aus Platin, so führt der darin fließende Strom dazu, dass das magnetische Signal in einer Schicht gedämpft aber in der anderen verstärkt wird. Mithilfe komplexer Analysen und Simulationen konnte das Team zeigen: Dieser Mechanismus kann durch eine Anpassung der Spannung genau kontrolliert werden und erlaubt in der Tat eine präzise und effektive elektrische Steuerung der magnetischen Signale. Zudem ist er auf der Nanoebene realisierbar, was ihn für nanoelektronische Anwendungen interessant macht.

    Die Forscher gehen in ihrer Arbeit sogar noch einen Schritt weiter: Sie konnten zeigen, dass die neu entworfene Struktur auch auf Licht oder allgemeiner auf elektromagnetische Wellen reagiert. Dies ist wichtig, wenn man die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen durch magnetische Schichten steuern oder diese Wellen zur Kontrolle von magnetischen Signalen einsetzen möchte. „Ein weiteres Merkmal unseres neuen Konzepts ist es, dass dieser Mechanismus für viele Materialklassen funktioniert, wie Simulationen unter Realbedingung belegen“, sagt Berakdar. Die Erkenntnisse könnten so dabei helfen, energiesparende und effiziente Lösungen für die Datenübertragung und -verarbeitung zu entwickeln.

    Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der National Natural Science Foundation of China und der Natural Science Foundation of Hunan Province of China gefördert.

    Zur Studie: Wang X., Guo G., Berakdar J. Steering magnonic dynamics and permeability at exceptional points in a parity-time symmetric waveguide. Nature Communications (2020) doi: 10.1038/s41467-020-19431-3

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