Brutkasten für die Elektronik von morgen

Brutkasten für die Elektronik von morgen
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Das Noise-free-Lab wird vor Vibrationen, Geräuschen oder elektrom. Feldern abgeschirmt, welche die Messungen an neuen Transistorkonzepten stören würde
17.09.2012 | Ins Noise-free-Lab am Binnig and Rohrer Nanotechnology Center in Rüschlikon dringt kein Ton – auch Erschütterungen und elektromagnetische Felder werden ferngehalten. Ein Temperaturfühler verhindert zudem, dass die Experimente an neuen Schaltelementen für Computerchips durch Temperaturschwankungen verfälscht werden.

Elektronik wird immer kleiner. Während 1958 auf dem ersten integrierten Schaltkreis zehn Transistoren Platz hatten, sind es heute mehr als eine Milliarde auf einem einzelnen Computerchip. Die Strukturen sind mittlerweile so klein, dass einzelne Lagen nur noch wenige Atome dick sind. Das bedeutet aber auch, dass ganz andere physikalische Phänomene berücksichtigt werden müssen: Plötzlich fliessen Elektronen, wo sie gar nicht dürften. Um dies zu verhindern, versuchen die Forscher, den Transistor neu zu erfinden und neuartige Bauelemente zu erforschen. Das ist aber nicht so einfach. Kleinste Erschütterungen, elektromagnetische Felder oder Temperaturschwankungen verfälschen die Messergebnisse.

Auf Fels gebaut

Ein weltweit anerkanntes Labor, in dem Wissenschaftler an den Transistoren von morgen arbeiten, liegt in der Schweiz: das IBM-Forschungslabor in Rüschlikon. Verkehrstechnisch gut angebunden liegt es zwischen der Autobahn und dem Bahnhof der SBB. Wenn nun aber ein Lastwagen vorbeifährt, wackeln die Proben unter dem Elektronenmikroskop. Im 2011 eröffneten Binnig and Rohrer Nanotechnology Center sind darum sechs Labore integriert, die besonders abgeschirmt wurden: die Noise-free-Labs. Wer in eines dieser Labors will, muss zuerst die Treppe in den Keller hinuntersteigen. Sie sind direkt auf den Fels gebaut. Die Messaufbauten selbst sind nochmals auf Betonblöcken platziert, die auf einem Luftkissen schweben. So kann selbst ein 40-Tönner auf der Autobahn vorbeirasen, ohne dass die Probe im Elektronenmikroskop vibriert.

Ein weiteres Problem ist der Schall, der genauso zu Vibrationen führt. Dicke Türen schotten die Labors ab. Selbst die anwesenden Wissenschaftler wären zu laut. Sie steuern die Experimente aus einem abgetrennten Raum neben dem eigentlichen Labor. Hier stehen zudem alle mechanischen Aggregate, beispielsweise die Vakuumpumpen, welche für die Experimente nötig sind.

Exakte Raumtemperatur

Eine auf den ersten Blick überraschende Störgrösse sind Temperaturschwankungen. Aber eine Differenz von wenigen Graden kann die Probe um mehrere 100 Nanometer pro Stunde verschieben. Bei Strukturen im Bereich von 1 bis 50 Nanometern wäre dies fatal. Alle Wärmequellen wie Computer oder Messinstrumente werden soweit möglich in den Nebenraum mit einer eigenen Klimaanlage verbannt. Auch der Mensch ist eine Wärmequelle: Er gibt rund 100 Watt Wärme ab.

Die Temperatur im Labor wird über eine separate Klimaanlage geregelt. Die Luft strömt über kleine Löcher im Boden in den Raum und wird an der Decke wieder abgesaugt. Die kalte Luft aus dem Boden ist zwar nicht besonders angenehm für die Forscher, erzeugt aber minimale Turbulenzen.

Ein Sensor unmittelbar über dem Labortisch misst die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit. IBM setzt dafür einen Messumformer von Rotronic ein, der die Temperatur mit einer absoluten Genauigkeit von 0,1 °C misst. Dies entspricht der maximalen Temperaturdrift, die im Labor über eine Stunde erlaubt ist. Gleichzeitig misst der Fühler die relative Luftfeuchtigkeit, die zwischen 35 und 55 % liegen muss und nicht mehr als 5 % abweichen darf. Der Fühler misst die Luftfeuchtigkeit sogar auf 0,8 % genau, dank eines in den Fühler integrierten Chips, der die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in 30‘000 Referenzpunkten kompensiert.
 

Forscher schätzen die Labors

Gut möglich also, dass die zukünftige Computertechnologie aus den Labors in Rüschlikon kommen wird. Die Forscherin Heike Riel nutzt beispielsweise die Quanteneffekte gezielt aus, um nicht nur besonders kleine, sondern auch sparsame Transistoren zu entwickeln. Statt wie heute üblich mit etwas mehr als 1 V Betriebsspannung würden die Transistoren mit Spannungen unter 0,5 V arbeiten. Rolf Allenspach geht noch einen Schritt weiter und will den Spin der Elektronen nutzen, also die Drehung der Elektronen um die eigene Achse: Spin-Up entspräche einer logischen Eins, Spin-Down einer logischen Null. Der Clou dabei ist, dass es viel weniger Energie braucht, den Spin zu ändern, als das Elektron wie heute im Transistor zu verschieben. So könnte die Elektronik von morgen noch schneller, noch sparsamer und noch kleiner werden.
 

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