TDK stellt weltweit ersten „Spin-Fotodetektor“ vor, der die Daten für KI zehnmal schneller übertragen kann

• Foto-spintronisches Wandlerelement, das auf Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm innerhalb von 20 ps reagieren kann – zehnmal schneller als herkömmliche halbleiterbasierte Fotodetektoren 

• Konzipiert und entwickelt von TDK, kann das magnetische Bauelement sowohl Licht im nahen Infrarotbereich als auch sichtbares Licht detektieren 

• Zusammen mit der japanischen Nihon University (bekannt für ihre Grundlagenforschung im Bereich Physik) wurde die Betriebsfähigkeit nachgewiesen 

• Die Technologie eignet sich für die fotoelektronische Umwandlung, um die Datenverarbeitung zu beschleunigen und gleichzeitig die Stromaufnahme zu senken – beides entscheidende Faktoren für die Weiterentwicklung von Künstlicher Intelligenz (KI). 

Die TDK Corporation stellt den weltweit ersten* „Spin-Fotodetektor“ vor, ein foto-spintronisches Wandlerelement, das optische, elektronische und magnetische Eigenschaften vereint und mit einer extrem hohen Geschwindigkeit von 20 Pikosekunden (20 × 10⁻¹² s) auf Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm [1] reagieren kann – mehr als zehnmal schneller als herkömmliche halbleiterbasierte Fotodetektoren. Dieses neue Bauelement könnte sich als entscheidender Faktor bei der Implementierung der fotoelektronischen Umwandlungstechnologie erweisen, denn es kann sowohl die Geschwindigkeit der Datenübertragung und -verarbeitung, insbesondere bei KI-Anwendungen, erhöhen und Energie sparen. 

Da sich die Künstliche Intelligenz ständig weiterentwickelt, müssen immer größere Datenmengen mit höherer Geschwindigkeit und geringerem Stromverbrauch bewegt werden. Derzeit dienen elektrische Signale dazu, Daten zwischen CPU/GPU-Chips sowie vom und zum Speicher zu übertragen, um sie zu verarbeiten und auszuwerten. Da die optische Kommunikation und Verbindungen höhere Übertragungsgeschwindigkeiten bieten und nicht mit der Leitungslänge abnehmen, dürften diese immer wichtiger werden. Gleichzeitig gewinnt die fotoelektronische Umwandlungstechnologie als äußerst kompakte Verschmelzung optischer und elektronischer Funktionselemente weltweit an Bedeutung. 

Als Antwort auf diese Herausforderungen hat TDK seine Magnetische Tunnelkontakt-Technologie (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), die heute milliardenfach in Magnetköpfen von Computer-Festplatten zum Einsatz kommt, für die Photonik weiterentwickelt. Zu den größten Vorteilen dieser Technologie zählt, dass keine Kristalle auf einem monokristallinen Substrat gezüchtet werden müssen und sich das Bauelement somit auf einem beliebigen Substratmaterial fertigen lässt. Herkömmliche halbleiterbasierte Fotodetektoren stoßen bei kürzeren Wellenlängen an ihre physikalischen Grenzen. Im Gegensatz dazu nutzt der Spin-Fotodetektor das Phänomen der Elektronenerwärmung, weswegen er auch mit kürzeren Wellenlängen und sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten kann [1]. Darüber hinaus ist der nutzbare Wellenlängenbereich breit, und er funktioniert nachweislich auch mit sichtbarem Licht bis hin zu Licht im nahen Infrarotbereich. TDK hat die Funktion des Spin-Fotodetektors gemeinsam mit der japanischen Nihon University nachgewiesen, einem Pionier der Forschung zur Messung ultraschneller Phänomene in magnetischen Materialien. 

Da der Spin-Fotodetektor sichtbares Licht auch bei hohen Geschwindigkeiten erfassen kann, könnte er zudem für zukünftig stark wachsende Anwendungen nützlich sein, z. B. für AR/VR-Brillen ([2], [3]) und schnelle Bildsensoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen halbleiterbasierten Fotosensoren sind MTJ-Elemente auch sehr robust gegen kosmische Strahlung und könnten daher als Lichtdetektoren in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird TDK in Zukunft die Leistungsfähigkeit des schnellen Lichtdetektors verbessern, um dessen Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. 

*Stand: April 2025, laut einer Untersuchung von TDK