Blitzschneller Schalter für Elektronenwellen

  • 14. December 2016

Ermutigende Ergebnisse für ultraschnelle Elek­tronik auf Basis von Ober­flächen­plasmonen.

Der charakteristische Glanz von Metallen entsteht durch Elek­tronen, die sich im Mate­rial­inneren frei bewegen können und ein­fal­lendes Licht reflek­tieren. Ähn­lich Wasser­wellen auf einem Teich können auch auf der Ober­fläche dieses Elek­tronen­sees Wellen ent­stehen, die Ober­flächen­plasmonen. Anstatt eines Steins, den man ins Wasser wirft, benutzt man im Labor Licht, um Ober­flächen­plasmonen zu er­zeugen. Wird Licht auf eine scharfe Metall­spitze von der Größe weniger Nano­meter gebün­delt, so breiten sich aus­gehend von dieser Spitze winzige kreis­förmige Ober­flächen­wellen aus. Diese Mini­atur­wellen könnten in künf­tigen kom­pakten elek­tro­nischen Bau­teilen zum Ein­satz kommen, um digitale Infor­mation blitz­schnell zu trans­por­tieren. Aller­dings gab es bisher keine Mög­lich­keit, solche Ober­flächen­wellen ultra­schnell ein- und aus­zu­schalten.

Plasmonenwelle

Abb.: Wellen im Plasma des schwarzen Phosphors (unten) breiten sich aus­gehend vom den Punkt ihrer An­regung aus und ver­setzen auch das um­gebende Silizium­dioxid (oben) in Schwingung. (Bild: F. Moos­hammer, U. Regensburg)

Einem Forscherteam um Rupert Huber von der Uni Regens­burg ist es in Koope­ra­tion mit Kollegen aus Pisa jetzt erst­mals gelungen, Wellen im Elek­tronen­see tat­säch­lich ultra­schnell ein- und aus­zu­schalten und damit eine wichtige Grund­lage für künf­tige Plasma­elek­tronik zu legen. Die Forscher verwen­deten hier­für aller­dings kein Metall, auf welchem Elek­tronen­wellen stets präsent sind. Viel­mehr kam eine ausge­klügelte Schicht­struktur basie­rend auf einem Halb­leiter aus schwarzem Phosphor zum Ein­satz. Durch Ein­strahlen eines inten­siven Licht­blitzes können darin frei beweg­liche Elek­tronen erst erzeugt werden. Ohne diese sind keine Ober­flächen­wellen vor­handen und die Struktur ist ausge­schaltet. Sobald aller­dings der erste Laser­impuls die frei beweg­lichen Elek­tronen erzeugt hat, können mit einem darauf­fol­genden Impuls die Ober­flächen­plasmonen von der Spitze aus losge­schickt werden.

Um zu testen, wie schnell dieser Schaltvorgang werden kann, akti­vierte das Team Ober­flächen­plasmonen mit ultra­kurzen Licht­blitzen mit Zeit­dauern von nur wenigen Femto­sekunden. Mit einem welt­weit einzig­artigen super­schnellen und hoch­auf­lösenden Mikro­skop ver­folgten die Forscher anschlie­ßend direkt in extremer Zeit­lupe, wie sich die Plasmon­welle aus­breitet. Dabei war klar zu er­kennen, dass die Schalt­zeiten auf der Femto­sekunden-Zeit­skala lagen und somit um viele Größen­ord­nungen schneller als die schnell­sten exis­tie­renden Transis­toren waren. Eine ange­nehme Über­raschung war, dass die Wellen­länge der Ober­flächen­wellen fast unab­hängig von der Leistung des ein­schal­tenden Lasers ist.

Diese Ergebnisse sind äußerst ermutigend für künftige ultra­schnelle Elek­tronik auf Basis von Ober­flächen­plasmonen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher erste funktions­fähige plasmo­nische Bau­ele­mente testen – ab sofort auf der Femto­sekunden-Zeit­skala.

U. Regensburg / RK

Share |

Webinar

Einführung in die Simulation von Halbleiter-Bauelementen

  • 30. November 2017

Von Mosfets über LEDs bis zu Wafern – Halb­leiter­bau­elemente sind essen­tielle Bestand­teile moderner Tech­nik in nahezu allen Bran­chen. Die nume­ri­sche Simu­la­tion kann dabei ein wich­ti­ges Hilfs­mit­tel dar­stel­len, um diese Bau­elemen­te in ihrer Funk­tions­weise zu analy­sie­ren und somit deren Kon­zep­tion zu er­leich­tern.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer