Die Höchstgeschwindigkeit der Quanten

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Halbleiterelektronik wird immer schneller aber irgendwann erlaubt die Physik keine Steigerung mehr. TU Wien, TU Graz und Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching untersuchen nun die Grenzen.

(red/mich/cc) Wie schnell kann Elektronik noch werden? Wenn Computerchips mit immer kürzeren Signalen und immer kleineren Zeitabständen arbeiten, werden irgendwann physikalische Grenzen erreicht. Die quantenmechanischen Prozesse, die in einem Halbleitermaterial die Entstehung von elektrischem Strom ermöglichen, brauchen ihre Zeit. Schneller ist Signalentstehung und Signalübertragung einfach nicht möglich.

Vom Feld zum Strom
Diese Grenzen konnten TU Wien, TU Graz und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching nun in einem gemeinsamen Projekt ausloten: Spätestens bei etwa einem Petahertz (eine Million Gigahertz) kann die Geschwindigkeit nicht weiter gesteigert werden, selbst wenn das Material auf optimale Weise mit Laserpulsen angeregt wird. Dieses Resultat wurde aktuell nun auch im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

Elektrischer Strom und Licht, also elektromagnetische Felder, gehören untrennbar zusammen. Das gilt auch in der Mikroelektronik, wo in Mikrochips Strom mit Hilfe elektromagnetischer Felder kontrolliert wird. Damit kann etwa ein elektrisches Feld an einen Transistor angelegt werden und je nachdem, ob das Feld eingeschaltet ist oder nicht, lässt der Transistor Strom fließen oder blockiert ihn.

Laserpuls bringt Elektronen in energiereicheren Zustand
So wird ein elektromagnetisches Feld in ein Stromsignal umgewandelt. Sollen nun die Grenzen dieser Umwandlung von elektromagnetischen Feldern zu Stromsignalen ausgelotet werden, dann braucht es statt Transistoren vorzugsweise Laserpulse als die aktuell schnellsten und präzisesten elektromagnetischen Felder.

„Material, das zunächst keinen elektrischen Strom leitet, wird mit einem ultrakurzen Laserpuls mit einer Wellenlänge im extremen UV-Bereich beschossen. Dieser Laserpuls bringt die Elektronen in einen energiereicheren Zustand, sodass sie sich plötzlich frei bewegen können und so wird das Material durch den Laserpuls kurzfristig zum elektrischen Leiter“, erklärt Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Die entscheidenden Fragen
Sobald sich im Material frei bewegliche Ladungsträger befinden, können sie von einem zweiten, etwas längeren Laserpuls in eine bestimmte Richtung bewegt werden. So entsteht ein elektrischer Strom, der dann mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert werden kann. Diese Vorgänge laufen extrem schnell ab – auf einer Zeitskala von Atto- oder Femtosekunden. „Heute haben wir die technologischen Möglichkeiten, den zeitlichen Ablauf dieser ultraschnellen Vorgänge im Detail zu studieren“, ergänzt Christoph Lemell von der TU Wien.

Die entscheidenden Fragen sind nun: Wie schnell reagiert das Material auf den Laser? Wie lange dauert die Signalentstehung und wie lange muss man warten, bis das Material dem nächsten Signal ausgesetzt werden kann? Die Experimente dazu wurden in Garching und Graz durchgeführt, die theoretische Arbeit sowie aufwändige Computersimulationen entstanden an der TU Wien.