Ferroische Leistung

Forscher könnten in multiferroischen Materialien den Heiligen Gral auf der Suche nach dem ultimativen Speicher gefunden haben

Angenommen, jedes Bit in einem Speicherchip könnte vier statt wie gewohnt zwei Zustände einnehmen. Dann müsste man nicht nur die Definition des Begriffes Bit ändern - man könnte auch auf gleichem Raum exponentiell mehr Daten speichern. Statt nur 256 Werte könnte ein „Viererbit-Byte“ gleich derer 65536 unterbringen. Diesem ultimativen Speicher ist die Forschung jetzt ein Stück näher gekommen, und zwar mit Hilfe von so genannten multiferroischen Stoffen. Dabei handelt es sich um Materialien, die zwei ferroische Effekte kombinieren.

In der Anwendung, die ein Wissenschaftlerteam von französischen und spanischen Unis in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials beschreiben, ist das Material Ferroelektrikum und Ferromagnetikum gleichzeitig. Beide Effekte findeln einzeln bereits halbkommerzielle Anwendung. Bei den so genannten FeRAMs nutzt man aus, dass die Speicherzellen eine nicht flüchtige elektrische Polarisierung besitzen, die auch ohne externes elektrisches Feld erhalten bleibt. Durch Anlegen eines Feldes kann man diese Polarisierung umschalten. Der Lesevorgang zerstört allerdings die Polarisation, weshalb die Speicherzelle nach jedem Lesen neu beschrieben werden muss. Toshiba und andere arbeiten fleißig an der Kommerzialisierung, bisher hat man Schaltzeiten von 5 Nanosekunden und eine Skalisierung auf 64-Megabit-Chips erreicht.

Auch MRAM-Speicher sind nicht flüchtig. Sie nutzen den Spin winziger magnetischer Domänen als Speicherelement, der sich durch ein äußeres Magnetfeld umschalten lässt. Auch MRAM-Chips kann man im Prinzip heute schon kaufen - „im Prinzip“, weil sie noch keine Kosten- oder Nutzungsvorteile gegenüber konventionellen Techniken bieten. Klarer wären die Vorteile bei den Speichern, die das Forscherteam nun in Nature Materials vorschlägt. Sie arbeiten mit geringstem Stromverbrauch und lassen sich komplett magnetisch (und zerstörungsfrei) auslesen. Als Grundlage verwenden die Forscher dünnste Schichten des Lanthan-Wismut-Mangan-Oxids La0.1Bi0.9MnO3 (kurz „LBMO“ genannt). Diese behalten ihre multiferroischen Eigenschaften bis zu einer Schichtdicke von zwei Nanometern.

Sehr gut zu miniaturisieren

Die Technik kombiniert aber nicht einfach FeRAMs und MRAMs - sonst müsste man zumindest die im ferroelektrischen Freiheitsgrad gespeicherten Daten nach jedem Lesevorgang neu schreiben. Stattdessen haben die Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, die elektrische Polarisation magnetisch auszulesen. Dazu setzen sie die LBMO-Schichten als Tunnelbarrieren ein. Die Höhe solcher Barrieren hängt einerseits von der magnetischen Spin-Ausrichtung ab, wird aber andererseits auch von den ferroelektrischen Eigenschaften beeinflusst.

So gelingt es, mit einem Lesevorgang alle Freiheitsgrade des Systems zu erfassen. Zum Auslesen genügt eine mit herkömmlicher Elektronik gut verträgliche Spannung von zwei Volt. Abhängig vom aktuellen Zustand der Speicherzelle ändert sich ihr Widerstand - eine vergleichsweise simple Messung, die den Spin- und Polarisationszustand in der Speicherzelle selbst nicht ändert.

Ein Pluspunkt für diese Technologie ist, dass sie sich wohl sehr gut miniaturisieren lässt: Die als Tunnelbarrieren genutzten LBMO-Filme lassen sich, wie gesagt, sehr dünn zuschneiden. Leider ist das von den Forschern analysierte Speicherelement auf Kühlung mit flüssigem Stickstoff angewesen - das schränkt seine Einsatzmöglichkeiten gegenwärtig ein. Zwar hat die Forschung auf der Suche nach beim Raumtemperatur multiferroischen Materialien bereits ein paar Kandidaten im Auge - bis zum praktischen Einsatz multiferroischer Stoffe in iPod & Co. vergehen wohl trotzdem noch ein paar Jahre. (Matthias Gräbner)