Ultraschnelle Kontrolle über Elektronenpulse

  • 04. June 2014

Stromfluss in Nanostrukturen mit Terahertz-Feldern lässt sich steuern.

Die rasant steigende Leistungsfähigkeit moderner Elektronik, beispielsweise in Smartphones, basiert auf immer kleineren und schnelleren Computerchips. Forscher der Universität Göttingen haben an metallischen Nanospitzen eine aktive Kontrolle des Stroms bei Terahertz-Frequenzen – 1000 Milliarden Schaltzyklen pro Sekunde – gezeigt. Derzeit wird der Takt von Computer-Prozessoren in Gigahertz angegeben. Um zukünftig in den Terahertz-Bereich vorzustoßen, bedarf es gänzlich neuer Technologien, die zwangsläufig von der Elektronik zur Optik führen. Neuartige Konzepte aus der Lichtwellenelektronik, mit denen die Göttinger Forscher arbeiten, nutzen kontrollierte Lichtfelder und extrem kurze Laserpulse, um Elektronenströme auf der Nanometerskala zu steuern.

Die Pulsform zeigt die gemessene Oszillation des elektrischen Feldes an der Nanospitze.

Abb.: Die Pulsform zeigt die gemessene Oszillation des elektrischen Feldes an der Nanospitze. Die Dauer dieses Pulses beträgt etwa eine Pikosekunde. (Bild: U. Göttingen)

In ihren Experimenten hat die Arbeitsgruppe um Claus Ropers von der Fakultät für Physik Lichtpulse und elektrische Terahertz-Pulse zeitgleich überlagert und dabei deren Kopplung beobachtet. „In den Messdaten können wir ganz direkt die elektrische Antwort der Nanostruktur auf das ultrakurze Eingangssignal ablesen. Dabei beobachten wir, dass die Stromstärke und die Geschwindigkeit der Elektronen ohne Verzögerung den ultraschnellen Terahertz-Schwingungen an der Nanospitze folgen“, erklärt Doktorandin Lara Wimmer.

Bis zum Einzug von Terahertz-Frequenzen in Computerchips sind noch eine Reihe physikalischer Hürden zu überwinden, doch schon jetzt zeigen sich direkte Anwendungsmöglichkeiten der aktuellen Ergebnisse in der ultraschnellen Spektroskopie und Bildgebung, einem Schwerpunkt der Arbeitsgruppe. Doktorand Georg Herink erläutert: „Die einzigartige Elektronendynamik im Terahertzfeld erlaubt eine Feinabstimmung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Elektronenpuls. Das Ziel dieser Optimierung sind die kürzesten Pulse für die zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie, die wir mit unseren Kollegen entwickeln.“

U. Göttingen / CT

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