Elektronik mit Licht beschleunigen

  • 20. October 2016

Laserpulse erzeugen elektrische Ströme, die mit Peta­hertz-Frequenzen schwingen.

Mit Hilfe von kurzen Laserpulsen haben Forscher am MPI für Quanten­optik Elek­tronen inner­halb von festen Stoffen zum Schwingen gebracht und damit Ströme erzeugt, die die Frequenz des sicht­baren Lichts um mehr als das Zehn­fache. Dabei experi­men­tierten die Wissen­schaft­ler um Elef­therios Gouliel­makis mit Silizium­dioxid, einem isolie­renden Material, das in der elektro­nischen Industrie normaler­weise zum Verhindern und nicht zum Erzeugen elek­trischer Ströme verwendet wird. Sobald dieses Material inten­siven Laser­pulsen ausge­setzt wurde, stieg seine Leit­fähig­keit um mehr als 19 Größen­ord­nungen. Damit ergeben sich völlig neue Möglich­keiten, die Eigen­schaften des Materials auf extrem kurzen Zeit­skalen zu verändern.

Laserpuls-Elektronik

Abb.: Lichtpulse erzeugen elek­trische Ströme, die mit Peta­hertz-Frequenzen schwingen. Die dabei ausge­strahlte extreme UV-Strahlung erlaubt es, diese elek­trischen Ströme in Echt­zeit aufzu­zeichnen. (Bild: MPQ)

„Seit mehr als hundert Jahren denken Wissenschaftler darüber nach, konven­tionelle Strom­quellen wie Batterien durch Licht zu ersetzen, um elek­trische Ströme in Fest­körpern, wie sie in der elek­tro­nischen Fabri­kation verwendet werden, zu erzeugen“, sagt Gouliel­makis. „Heute können wir mit Lasern Materie immer besser kontrol­lieren und Licht­felder immer genauer messen. Damit erhält die Idee, die Bewegung von Elek­tronen in Fest­körpern mit Lasern zu steuern, starken Auftrieb.“

In konventionellen Schaltkreisen werden die Elektronen von dem elektrischen Feld der Strom­quellen, etwa Batterien, zu Schwingungen ange­stoßen. Auch wenn alle Elek­tronen anfangs der Kraft des Batterie­feldes folgen, stoßen sie gelegent­lich mit lang­sameren Teil­chen wie Atomen oder Ionen zusammen und verlieren dadurch ihre Synchro­nizität. Von inten­siven Licht­feldern dagegen werden die Elek­tronen in extrem kurzer Zeit beschleunigt. Deshalb geraten sie in Schwingungen und erzeugen elek­trischen Strom, bevor ihnen andere Teilchen in die Quere kommen. Für die Messung dieser schnellen elektro­nischen Bewegung benutzen die Forscher optische Techniken: Statt die elek­trischen Ströme direkt nachzu­weisen, messen sie die Schwingungen der extremen UV-Strahlung, die von den im Silizium­dioxid kohärent schwingenden Elek­tronen erzeugt wird.

Die so nachgewiesenen Ströme sind etwa eine Million mal schneller als die in einem gängigen modernen Computer­prozessor. Auch wenn der Fokus des Teams darauf liegt, die physika­lischen Grenzen auszu­loten, könnten die Unter­suchung den Weg ebnen, in den kommenden Jahren elektro­nische Geräte zu entwickeln, die eine Million mal schneller als heutige sind. „Unsere Arbeit ermög­licht es, in festen Stoffen kohärente Elek­tronik zu verwirk­lichen, was man sich früher nur für iso­lierte Moleküle vor­stellen konnte“, so Gouliel­makis. „Wenn sich Elek­tronen kohärent bewegen, strahlen sie Licht ab, und Licht spielt die entschei­dende Schlüssel­rolle in der Photonik. Aus diesem Grund sind wir vielleicht bald in der Lage, zwei wichtige Bereiche der modernen Wissen­schaft zu ver­einigen: die Elek­tronik und die Photonik.“

MPQ / RK

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