Brown University: Das Material, das Speicherchips den Energiehunger nehmen soll

Ein Team der Brown University hat ein neuartiges Material entwickelt, das den Energiebedarf von Speicherchips drastisch verringern könnte. Die Grundlage bildet eine ultradünne Schicht aus Bismutferrit, die bei Dicken von nur wenigen Angström funktionsfähig bleibt – ein Angström entspricht dem zehnmillionsten Teil eines Millimeters. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Bismutferrit gehört zur Materialklasse der Multiferroika, bei der elektrische und magnetische Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Genau diese Kombination macht das Material für Speicherchips interessant, denn sie erlaubt es, Daten elektrisch zu schreiben und magnetisch auszulesen – ein Prinzip, das weniger Energie benötigt als klassische Speichertechnik.

Wie das Material Speicherchips sparsamer machen soll

Für die neue Variante wird das Bismutferrit auf ein kristallines Substrat aus Dysprosiumscandat aufgedampft. Dabei entstehen gezielt Fehlanpassung und Druckspannung zwischen den beiden Materialien. Zusätzlich wurde eine metallische Schicht integriert, die unerwünschte elektrische Felder abschirmt und so die empfindlichen Eigenschaften des Dünnfilms stabil hält.

Erst dieses Zusammenspiel aus Substrat, Spannung und Abschirmschicht erlaubt es, Bismutferrit in einer Form herzustellen, die dünn genug für moderne Speicherchips ist und trotzdem funktioniert.

Warum Bismutferrit lange als Kandidat galt – und woran es scheiterte

Bismutferrit ist kein neuer Werkstoff in der Forschung: Das Material gilt bereits seit Längerem als Kandidat für die Datenspeicherung. Das Problem lag jedoch in der praktischen Umsetzung: In der extrem dünnen Folienform, wie sie für Speicherchips benötigt wird, verliert Bismutferrit üblicherweise genau jene speziellen Eigenschaften, die es überhaupt erst interessant machen.

Die Kombination aus Substrat-Spannung und Abschirmschicht löst dieses Problem nun offenbar, wie die aktuellen Ergebnisse zeigen. Damit rückt ein Material, das lange nur theoretisch vielversprechend war, erstmals in die Nähe praktischer Anwendung.

Was Altermagnetismus für Speicherchips bedeutet

Der entwickelte Dünnfilm weist eine Eigenschaft auf, die als Altermagnetismus bezeichnet wird. Altermagnetische Materialien lassen sich deutlich schneller beschreiben und auslesen als herkömmliche magnetische Materialien – ein Vorteil, der sich direkt auf die Geschwindigkeit künftiger Speicherchips auswirken könnte.

Hinzu kommt ein zweiter Effekt: Die Packungsdichte des Materials ist größer, sodass sich auf derselben Fläche mehr Daten speichern lassen als bei bisherigen Lösungen. In der Summe ergeben sich daraus mehrere Vorteile auf einmal:

• Der Energiebedarf von Speicherchips sinkt durch die neue Materialkombination deutlich.
• Altermagnetismus ermöglicht schnelleres Schreiben und Lesen von Daten.
• Die höhere Packungsdichte erlaubt mehr Speicherkapazität auf gleicher Fläche.
• Die Abschirmschicht hält das Material auch bei extremer Dünne stabil nutzbar.

Wie es mit dem Material jetzt weitergeht

Noch handelt es sich um ein Laborverfahren: Die Methode muss erst zur Industrietauglichkeit weiterentwickelt werden, bevor sie in realen Speicherchips zum Einsatz kommen kann. Bis zu diesem Schritt bleiben Fertigungsprozesse, Kosten und Zeitplan offen.