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Regensburg.. Forscher der Universität Regensburg und der Scuola Normale Superiore di Pisa haben einen superschnellen Schalter für Elektronenwellen entwickelt. Dieser könnte es erlauben, künftige Elektronik um ein Vielfaches zu beschleunigen. Computer könnten 1000 Mal schneller werden, erklären die Doktoranden und Hauptautoren der Studie, Fabian Mooshammer und Markus Huber. Momentan würden die Rechner leider auch 1000 mal größer ausfallen. Aber das wird sich sehr schnell ändern, erwarten die Wissenschaftler – auch die inzwischen Nanometer kleinen Transistoren in unseren Handys und Computern waren zu ihrer Entstehung noch handtellergroß.

Bei herkömmlicher Elektronik wird elektrische Ladung als Informationseinheit verwendet. Diese Vorgehensweise stößt aber an Grenzen. Die Möglichkeit, Transistoren immer kleiner zu bauen, ist begrenzt, unter anderem weil sie zu heiß werden. Eine andere Technologie setzt auf Glasfasertechnik, also die Übertragung von Informationen mit Licht – dem schnellsten Übertragungsmedium überhaupt.

Ein Forscherteam um Professor Rupert Huber, Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, geht in Kooperation mit Kollegen aus Pisa in die Schnittstelle dieser beiden Technologien hinein. „Wir können eine Information in einer Mischung aus Materie und Licht speichern“, sagt Mooshammer. Der Vorteil: Die hohe Geschwindigkeit von Licht werde mit der Kompaktheit von herkömmlicher Elektronik verheiratet. Am Ende stehe eine Technologie, die mit Taktraten im Terahertz-Bereich arbeitet. Das ist 1000 Mal mehr als Gigahertz, wo sich aktuelle Computer bewegen.

Sollte sich diese Technologie durchsetzen, wovon wir noch viele Jahre entfernt sind, dann könnte sie nach Einschätzung der Wissenschaftler im Prinzip jeden Transistor ersetzen. Sie könnte also überall in der Elektronik vorkommen: in Computern, Handys, Steuerelementen von Geräten und Autos etc. Die Frage ist dabei wie immer, ob es sich lohnt. Zunächst dürfte der Einsatz in weniger preissensiblen Anwendungen geschehen.

Fluss ist besser als Ebbe und Flut

Die Technologie funktioniert so: Im Unterschied zu heute üblichen Halbleitern wie Silizium, bei denen die Elektronen sich nach dem Anschalten langsam als eine Art Elektronenfluss durch das Material bewegen, erzeugt man Wellenbewegungen der Elektronen auf der Oberfläche des Halbleiters – sogenannte Oberflächenplasmonen. Diese Oberflächenplasmonen können sich schneller ausbreiten als einzelne Elektronen, da sie eine gemeinsame Schwingung aus Licht und Elektronen darstellen.

Als Startpunkt für die Obwerflächenplasmonen wird Licht auf eine scharfe Metallspitze von der Größe weniger Nanometer gebündelt. Davon ausgehend breiten sich winzige kreisförmige Oberflächenwellen aus. Ein Nanometer ist hierbei nur etwa zehnmal so groß wie der Durchmesser eines Atoms. Diese Miniaturwellen könnten in künftigen kompakten elektronischen Bauteilen digitale Information blitzschnell transportieren.

Allerdings gab es bisher keine Möglichkeit, solche Oberflächenwellen ultraschnell ein- und auszuschalten. Das Regensburger Forscherteam um Professor Huber und die Kollegen aus Pisa haben es nun mit Wellen im Elektronensee geschafft und damit eine wichtige Grundlage für künftige Plasmaelektronik gelegt.

Die Physiker verwenden als Material sogenannten schwarzen Phosphor – ein zweidimensionales Material, bestehend aus vielen einzelnen übereinandergeschichteten Lagen ähnlich einem Stapel Papier. Von diesem Stapel lassen sich wenige Lagen abziehen und somit sehr dünne Strukturen herstellen, welche gut zu handhaben sind. Der schwarze Phosphor leitet erstmal keinen Strom, die Elektronen sind unbeweglich, die Struktur ist „ausgeschaltet“. Sobald allerdings ein erster Laserimpuls frei bewegliche Elektronen erzeugt hat, können mit einem darauffolgenden Impuls die Oberflächenplasmonen losgeschickt werden – die Struktur ist „angeschaltet“. Die Elektronen, die für die Wellenbewegung benötigt werden, fallen danach sehr schnell wieder zurück in die ursprüngliche Bindung und schalten die Struktur dadurch wieder „aus“. Das ist günstig, da dadurch viele Ein- und Auschaltvorgänge in kürzester Zeit möglich sind. So kann die Schaltung sehr schnell agieren.

Eine neue Zeitdimension

Um zu testen, wie schnell, aktivierte das Team Oberflächenplasmonen mit ultrakurzen Lichtblitzen mit Zeitdauern von wenigen Femtosekunden und stellten fest, dass sich die Struktur auf solch kurzen Zeitskalen vollständig schalten ließ. Eine Femtosekunde ist die unvorstellbar kurze Zeitspanne eines millionsten Teils einer Milliardstel Sekunde – 0,000 000 000 000 001 Sekunden. Um sich das vorstellen zu können: Licht legt in einer Sekunde etwa die Entfernung von der Erde zum Mond zurück. In einer Femtosekunde schafft Licht gerade einmal das Hundertstel eines Haardurchmessers.

Erste Prototypen dieser Bauteile sind in Pisa entstanden. Nach Weihnachten werden aber auch in Regensburg neue und aufwändigere plasmonische Bauelemente auf Basis von schwarzem Phosphor konstruiert und getestet. Die Forscher können hierbei auf vorhandenes Wissen zurückgreifen, denn Huber und Mooshammer zufolge wird in Regensburg mit verwandten zweidimensionalen Materialien „bereits jahrelang gearbeitet“.

Die nächste Herausforderung bestehe darin, logische Bauteile zu erstellen, die komplexe Rechenaufgaben bewältigen können. Zudem müssen die Baugrößen erheblich verringert werden, um „den Laser auf den Chip zu bekommen“, erklären die Doktoranden. Erste funktionierende Technologien dafür gebe es bereits. Bis die Kombination aus beiden Forschungszweigen effizient zusammengeführt und industriell umsetzbar ist, steht aber noch ein weiter Weg bevor.

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