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Lichtinduzierte Elektronenbewegung

Lichtwellen betreiben Transistoren der Zukunft

3. Juni 2016, 8:14 Uhr | Verena Winkler

Dr. Annkatrin Sommer (MPQ) mit einer Glas-Probe.

Elektromagnetische Lichtwellen schwingen in einer milliardstel Sekunde ca. eine Million Mal - theoretisch könnte auch die Elektronik so schnell sein: Max-Planck Institut, LMU, TUM und Uni Tsukuba optimieren Wechselwirkungen von Licht und Glas für den Einsatz in lichtwellengesteuerter Elektronik.

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Die Elektronik basiert auf Bewegungen von Elektronen. Mit Hilfe von Elektronenbewegungen werden Informationen gespeichert, bearbeitet und weitergeleitet. Es zeichnet sich jedoch ab, dass die derzeitige Elektronik mit einigen Milliarden Schaltungszyklen pro Sekunde ihre Schmerzgrenze in puncto Geschwindigkeit erreicht hat. Begrenzt wird die Anzahl der Schaltungszyklen v. a. durch Wärme, die während dem Elektronenfluss entsteht und den Schaltkreis aufheizt.

Eine Alternative zu herkömmlichen Schaltungszyklen ist das elektrische Feld von Licht zur Informationssübertragung. Das elektrische Feld von Licht ändert seine Richtung in einer Sekunde Trillionen Mal und bewegt Elektronen ebenfalls schnell im Festkörper hin und her. Lichtwellen könnten künftig Transistoren antreiben und den Weg zum elektronischen Schalter der Zukunft ebnen. Elektromagnetische Wellen des Lichts schwingen mit Petahertz-Frequenzen. Der Präfix “Peta” (P) beziffert die Zehnerpotenz 1x10⁺¹⁵ - in Worten: eine Frequenz von 1,000,000,000,000,000 Hz. Voraussetzung für den Einsatz von Lichtwellen ist, die Elektronenbewegungen und deren Konsequenzen für die Wärmeentwicklung im Festkörper zu kennen.

Physiker des Max-Plack-Instituts für Quantenoptik haben herausgefunden, dass es möglich ist Elektronen mit Frequenzen von Licht zu steuern. Im Folgeexperiment beschossen die Forscher Glas (Siliziumoxid) mit einem Femtosekunden-langen Laserimpuls (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde).

Eine Schwingung

Das Lichtfeld führte dabei nur eine starke Schwingung aus. Der zeitliche Ablauf des Lichtfeldes nach dessen Durchlauf durch die dünne Glasscheibe wurde präzise gemessen und gewährt direkte Einblicke in die Attosekunden-schnelle Elektronenbewegung, die Licht im Festkörper verursacht.

Die Wissenschaftler beobachteten mit der neuen Messmethode, dass Elektronen um einige zehn Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde) zeitversetzt auf das einfallende Lichtfeld reagieren. Diese zeitversetzte Reaktion bestimmt den Energietransfer zwischen Licht und Materie.