Philipps-Universität Marburg
Blitzlicht macht Computer schneller
Schneller schalten: Kurze Lichtblitze eignen sich dazu, den raschen Wechsel zwischen zwei Energiezuständen in einem Halbleiter zu kontrollieren. Zu diesem Resultat kommen Physiker aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor in den USA.
Lange Zeit wurde der Ruf nach verbesserter Leistung von Halbleitern mit höheren Taktraten und einer fortschreitenden Miniaturisierung der Bauteile beantwortet. »Eine weitere Verkleinerung und Beschleunigung stößt jedoch an fundamentale Grenzen«, sagt der Marburger Physiker Dr. Peter Hawkins, einer der Erstautoren des Aufsatzes.
Einen Ausweg eröffnet die Kontrolle von Elektronenbewegung durch das elektrische Feld einer Lichtwelle: Extrem kurze Lichtblitze sind in der Lage, die Bewegung von Elektronen auf einer ultra-kurzen Zeitskala zu manipulieren und zu steuern. Dies erlaubt eine millionenfach schnellere Steuerung von elektrischen Strömen, mit der sich die Beschränkungen konventioneller Elektronik überwinden lassen.
Die Forschungsgruppe ging nun daran, einen solchen Prozess in einem neuartigen Halbleitermaterial zu untersuchen. Dieses besteht aus einer einzigen Schicht von Wolfram-Atomen, die auf beiden Seiten von Selen-Atomen umgeben ist. Ein schwacher Lichtpuls genügt, um Elektronen in diesem hauchdünnen Halbleiter zu zwei unterschiedlichen, voneinander getrennten Energiezuständen anzuregen, die Physiker als Täler bezeichnen.
Die beiden Täler unterscheiden sich durch eine quantenphysikalische Eigenschaft, nämlich ihren Pseudospin. Wählt man die Einstellung der Lichtquelle geschickt, so lassen sich die beiden Täler getrennt voneinander anregen, wobei Elektronen gezielt nur in einem der beiden Täler entstehen.
Um diese Phänomene irgendwann zum Rechnen verwenden zu können, muss man den Wechsel von einem Zustand zum anderen unter Kontrolle bringen. Das ist den Physikern jetzt gelungen. Zu diesem Zweck bestrahlten die Regensburger Experimentatoren das hauchdünne Material zunächst mit kurzen, starken Lichtpulsen, um Elektronen zwischen den beiden Energietälern zu transportieren. Dabei kommt es zu kurzen Lichtblitzen, die Rückschlüsse darauf zulassen, in welchem Tal sich das Elektron befindet.
Für die Analyse kombinierten die Physiker aus Marburg und Ann Arbor verschiedene Methoden der Theoretischen Physik: Sie berechneten einerseits die Eigenschaften des Halbleiters und griffen andererseits auf Modelle der Quantenmechanik zurück, um die Prozesse im Inneren des Materials zu beschreiben.
Die Untersuchungen bestätigten, dass die auftretenden Effekte tatsächlich auf einer Änderung des Pseudospins beruhen, die durch ein sehr starkes Lichtfeld verursacht wird. »Solch ein Schalt-Prozess könnte in Zukunft ein wichtiger Baustein im Gebiet der Lichtwellen-Elektronik sein«, vermuten die Verfasser der Studie.
Die Arbeitsgruppen aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor kooperieren bereits seit geraumer Zeit miteinander, um Experiment und Theorie zu kombinieren. Die Forschungsgruppe berichtet über ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin »Nature«.
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