Rechnen mit der Umlaufbahn: Warum Orbitalströme die Elektronik sparsamer machen könnten
Mainzer Physiker haben erstmals Orbitalströme direkt nutzbar gemacht – ohne den Umweg über Spinströme. Der Ansatz könnte den Weg zu Speichern und Prozessoren mit deutlich geringerem Energieverbrauch ebnen.
Der Energiehunger der Digitalisierung wächst schneller, als es vielen lieb ist: Rechenzentren, KI-Modelle und Milliarden vernetzter Geräte treiben den Strombedarf der Informationstechnik seit Jahren nach oben. Entsprechend intensiv sucht die Grundlagenforschung nach Wegen, Daten mit weniger Energie zu speichern und zu verarbeiten. Ein Forschungsteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) meldet nun einen Fortschritt in einem noch jungen Feld, das dabei eine Schlüsselrolle spielen könnte: der sogenannten Orbitronik. Über die Arbeit berichten unter anderem der Informationsdienst Wissenschaft (idw) und internationale Fachportale.
Vom Spin zur Umlaufbahn
Um einzuordnen, was die Mainzer Physiker erreicht haben, lohnt ein Blick auf die Vorgeschichte. Klassische Elektronik nutzt die Ladung des Elektrons – jeder Stromfluss transportiert Ladungen und erzeugt dabei Wärme, also Verlustenergie. Die Spintronik, seit den 1990er-Jahren ein etabliertes Forschungs- und Anwendungsfeld, nutzt zusätzlich den Eigendrehimpuls des Elektrons, den Spin. Festplatten-Leseköpfe und magnetische Arbeitsspeicher (MRAM) beruhen auf diesem Prinzip.
Das Elektron hat aber noch eine dritte nutzbare Eigenschaft: seinen Bahndrehimpuls, vereinfacht gesagt die Bewegung um den Atomkern. Ströme aus diesem orbitalen Drehimpuls – Orbitalströme genannt – lassen sich in vielen gängigen Materialien erzeugen, unter anderem über den sogenannten orbitalen Hall-Effekt, der Ladungsströme in Orbitalströme umwandelt. Genau hier setzt die Orbitronik an.
Der Umweg entfällt
Bislang hatten Orbitalströme einen entscheidenden Haken: Um sie für magnetische Speicher nutzbar zu machen, mussten sie zunächst in Spinströme umgewandelt werden. Dafür braucht es Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung – typischerweise schwere und teure Metalle wie Platin. Der Umwandlungsschritt kostet Effizienz und bindet die Technologie an seltene Rohstoffe.
Dem Team um Prof. Dr. Mathias Kläui am Institut für Physik der JGU ist es nach eigenen Angaben nun erstmals gelungen, diesen Umweg zu vermeiden: Die Forschenden koppelten bewegliche orbitale Momente direkt an lokalisierte orbitale Momente in einem Magneten – der Orbitalstrom wirkt also unmittelbar, ohne vorherige Umwandlung in einen Spinstrom. Dr. Christin Schmitt aus der Arbeitsgruppe spricht vom ersten rein orbitronischen Ansatz. Fachberichte heben zudem hervor, dass sich die nutzbaren Signale mit dem Verfahren deutlich verstärken ließen.
Warum das für die Praxis interessant ist
Die mögliche Bedeutung liegt in zwei Punkten. Erstens verspricht der direkte Ansatz eine höhere Energieeffizienz, weil der verlustbehaftete Umwandlungsschritt entfällt. Perspektivisch könnten so Speicher und Prozessoren entstehen, die mit einem Bruchteil der heutigen Schaltenergie auskommen – ein relevanter Hebel angesichts des wachsenden Strombedarfs von Rechenzentren. Zweitens funktioniert die Erzeugung von Orbitalströmen auch in leichten, gut verfügbaren Materialien. Die Abhängigkeit von Platin und ähnlichen Rohstoffen, wie sie die Spintronik kennt, würde sich damit verringern.
Einordnung: Grundlagenforschung mit langem Atem
Bei aller Aufbruchstimmung gilt: Die Orbitronik steht dort, wo die Spintronik vor Jahrzehnten stand. Vom Laborexperiment bis zu marktreifen Bauelementen ist es ein weiter Weg – Materialsysteme müssen skalierbar, Schaltvorgänge zuverlässig und Fertigungsprozesse industrietauglich werden. Dass der Bahndrehimpuls des Elektrons überhaupt gezielt als Informationsträger nutzbar ist, galt allerdings lange als offene Frage. Insofern markiert die Mainzer Arbeit einen echten Etappenpunkt: Sie zeigt, dass eine Elektronik denkbar ist, die weder allein auf Ladung noch auf Spin angewiesen ist. Ob daraus einmal der sparsame Arbeitsspeicher im Serverschrank wird, dürfte sich in den kommenden Jahren entscheiden – die Richtung des Feldes ist mit diesem Ergebnis jedenfalls klarer geworden.
Dieser Beitrag ist eine redaktionelle Einordnung aktueller Forschungsergebnisse auf Basis öffentlich zugänglicher Berichterstattung, u. a. des Informationsdiensts Wissenschaft (idw).
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