Kryo-Labor_TU Ilmenau

Im neuen Kryo-Labor der TU Ilmenau entsteht künftig leistungsstarke und energieeffiziente Elektronik. (Bild: TU Ilmenau)

Im Kryo-Analytiklabor der TU Ilmenau entstehen neuromorphe elektronische Systeme, also mikroelektronische Bauelemente und Schaltungen auf der Basis neurobiologischer Gesetzmäßigkeiten. Die Mikroelektronik, die mit biologisch inspirierten Signalverarbeitungs- und Speichermechanismen funktioniert, ist gleichzeitig besonders leistungsstark und extrem energieeffizient. Dafür verknüpfen Wissenschaftler aus fünf Fachgebieten Memristoren mit supraleitenden und neuromorphen Schaltungen. Der Begriff Memristor – zusammengesetzt aus den Wörtern Memory und Resistor – beschreibt elektronische Bauelemente, die Informationen durch veränderbare Widerstandszustände speichern können. Den Gedächtniseffekt, der dem von Synapsen im Gehirn ähnelt, erhalten die elektronischen Komponenten von der atomaren Struktur der Werkstoffe, aus denen sie hergestellt sind.

Für die Arbeiten hat die TU Ilmenau ein Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskop und ein Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop angeschafft und bereits in Betrieb genommen. Diese sehr hoch auflösenden Mikroskope erlauben es, die neuromorphen und supraleitenden Werkstoffe zu untersuchen. Werkstoffoberflächen lassen sich mit atomarer Präzision abbilden und deren elektronische Struktur hoch energieauflösend spektroskopieren.

Atome und Moleküle gezielt positionieren

Mit Rasterelektronenmikroskopie bei -267 °C können die Forscher die neuromorphen Werkstoffe und Schaltungen bei mikrostrukturellen In-situ-Untersuchungen im supraleitenden Zustand ansehen. Zudem machen die extrem niedrigen Temperaturen Änderungen in memristiven Werkstoffen sichtbar. Mithilfe der Kryoanalyse lassen sich Atome und Moleküle mit einer atomaren Sonde gezielt positionieren. Diese künstlichen Strukturen, auch Nanolaboratorien genannt, ermöglichen es, die physikalischen Mechanismen künftiger Memristoren aufzudecken und zu verstehen. Zu den neuen Laborgerätschaften gehört auch ein Heliumverflüssigungssystem, das das Heliumabgas der Tieftemperatur­anlagen sammelt, um es wieder in flüssiges Helium umzuwandeln, das dann zur Kühlung der Experimente wiederverwendet wird.

Das Labor entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Programms „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland (ForLab)“ und ist eines von insgesamt zwölf, die derzeit in diesem Zusammenhang in ganz Deutschland entstehen.

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