Telekommunikation jenseits von 6G: der erste eigenständige Spinwellen-Chip mit integriertem Magnetfeld

Das Politecnico di Milano hat das erste integrierte und vollständig einstellbare, auf Spinwellen basierende technische Bauteil entwickelt und damit neue Möglichkeiten für die Telekommunikation der Zukunft erschlossen – weit über die heutigen 5G- und 6G-Standards hinaus. Die Studie, die in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, wurde von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Riccardo Bertacco vom Fachbereich Physik des Politecnico di Milano in Zusammenarbeit mit Philipp Pirro, Fachbereich Physik und Landesforschungszentrum OPTIMAS der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU), und Silvia Tacchi vom Istituto Officina dei Materiali (CNR-IOM) durchgeführt.

Magnonik ist eine neue Technologie, die Spinwellen – kollektive Anregungen von Elektronenspins in magnetischen Materialien – als Alternative zu elektrischen Signalen nutzt. Die Verbreitung dieser Technologie war bisher durch die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds eingeschränkt, was ihre Integration in Chips verhindert hat.

Das neue, am Politecnico entwickelte Bauteil überwindet diese Hürde: Es ist miniaturisiert (100 × 150 Quadratmikrometer, also viel kleiner als aktuelle Hochfrequenz-Signalverarbeitungsgeräte auf Basis von Schallwellen), vollständig auf Silizium integriert – und damit mit bestehenden elektronischen Plattformen kompatibel – und funktioniert dank einer innovativen Kombination aus permanenten SmCo-Mikromagneten und Magnetflusskonzentratoren ohne externe Magnete.

Der Spinwellenleiter besteht aus CoFeB und ist mit zwei Antennen für die Ein- und Ausgabe des HF-Signals ausgestattet. Das transversale Magnetfeld kann durch Variieren des Abstands zwischen den Magneten und Konzentratoren sehr präzise zwischen 11 und 20,5 mT moduliert werden. Dadurch kann die Betriebsfrequenz zwischen 3 und 8 GHz eingestellt und die Phasenverschiebung bei 6 GHz auf bis zu 120 Grad abgestimmt werden.

Die Forschenden weisen darauf hin, dass die Prototypen nicht nur das Prinzip der Technologie demonstrieren, sondern bereits als Zeitverzögerungsleitungen und Phasenschieber ohne Anwendung eines externen Vorspannungsfeldes funktionieren. Das Design könnte in MEMS integriert werden, um die Geräte in Echtzeit neu zu konfigurieren. Die Wahl von SmCo-Mikromagneten gewährleistet, dass sie bei Temperaturen von bis zu 200 °C stabil bleiben und das Magnetfeld ohne Energieverbrauch erzeugen können.

Riccardo Bertacco vom Fachbereich Physik des Politecnico di Milano erklärt: „Dieses Ergebnis ist ein entscheidender Schritt, um Spinwellen aus dem Labor in eine Technologie zu überführen, die tatsächlich in Telekommunikationssysteme und elektronische Schaltungen integriert werden kann.“

Silvia Tacchi vom CNR-IOM fügt hinzu: „Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Magnonik dar und bringt die Integration von Spinwellen-Chips in elektronische Geräte einen Schritt näher.“

Die Entwicklung dieser Geräte ist Teil des Projekts MandMEMS, das von der Europäischen Union im Rahmen von Horizon Europe finanziert wird. Der Koordinator des Projekts, Philipp Pirro von der RPTU, integriert diesen Erfolg in die Projekt-Roadmap: „Aufbauend auf diesem Meilenstein können wir nun die nächsten Herausforderungen in Angriff nehmen, wie beispielsweise die weitere Steigerung der Übertragungseffizienz der Geräte. Aufgrund der bisher erzielten großen Verbesserungen sind wir zuversichtlich, bald marktfähige Geräte für 6G präsentieren zu können, die auf eigenständigen Spinwellen-Chips basieren.“

Das Konsortium umfasst verschiedene europäische Forschungszentren und Industriepartner mit Fachkenntnissen in den Bereichen Magnonik, MEMS, HF-Elektronik und Materialwissenschaften. Ziel ist die Entwicklung einer Technologieplattform, die die Kommunikationsgeräte der Zukunft effizienter, kompakter und rekonfigurierbarer macht und damit den Weg für neue Anwendungen in der Telekommunikation und Hochfrequenzelektronik ebnet.

Mit dieser Innovation haben das Politecnico di Milano, die RPTU und das Istituto Officina dei Materiali - CNR-IOM den Grundstein für kompakte, stromsparende und leistungsstarke Geräte gelegt, die nicht nur für die Telekommunikation der Zukunft, sondern auch für die Unterhaltungselektronik, den Automobilsektor, die Diagnostik und ganz allgemein für alle Anwendungen, die eine integrierte Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen erfordern, von Bedeutung sein könnten.

Website des Projekts: 
www.mandmems.eu

Die Studie:
M. Cocconcelli, F. Maspero, A. Micelli, A. Toniato, A. Del Giacco, N. Pellizzi, A. E. Plaza, A. Cattoni, M. Madami, R. Silvani, C. Adelmann, A. A. Hamadeh, P. Pirro, S. Tacchi, F. Ciubotaru, R. Bertacco, Standalone Integrated Magnonic Devices. Adv. Mater. 2025, 2503493.
https://doi.org/10.1002/adma.202503493