Lichtwellen-Technik

100.000 mal schnellere Elektronik

Atto-Schalter Grafik Foto: Christian Hackenberger / MPQ

Mit Lichtwellen angetriebene Transistoren könnten künftige Elektronik 100.000 Mal schneller machen. Teams des Max-Planck Instituts, der Uni und Technischen Uni München sowie der Uni Tsukuba (Japan) haben die Wechselwirkung von Licht und Glas so optimiert, dass man sie für lichtwellengesteuerte Elektronik einsetzen könnte.

Elektronik basiert auf den Bewegungen von Elektronen. Sie lässt sich zum Speichern, bearbeiten und weiterleiten von Informationen nutzen. Begrenzender Faktor bei der heutigen Elektronik sind jedoch einigen Milliarden Schaltzyklen pro Sekunde. Dann scheint ihre höchstmögliche Geschwindigkeit erreicht zu sein, begrenzt durch die Wärme, die beim Ein- und Ausschalten des Stromes entsteht und den Schaltkreis aufheizt. Das elektrische Feld von Licht ändert seine Richtung in einer Sekunde hingegen Trillionen Mal und kann Elektronen in einem Festkörper ebenso schnell hin- und hertreiben, eine Voraussetzung für den elektronischen Schalter der Zukunft. Allerdings gilt es, die Bewegungen der Elektronen und die dabei entstehende Wärmeentwicklung zu kennen.

Laser gibt den Impuls

Dass es grundsätzlich möglich ist, Elektronen mit den Frequenzen von Licht zu steuern, haben Physiker für Attosekundenphysik des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) bereits erforscht. Daraufhin ließen sie extrem starke, wenige Femtosekunden lange (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) Laserpulse auf Glas treffen. Dabei führte das Lichtfeld laut den MPQ-Physikern nur eine einzige starke Schwingung aus, also je einen großen "Ausschlag" der Kraft, die dabei auf die Elektronen einwirkt, nach links und rechts. Die präzise Messung des zeitlichen Ablaufs des Lichtfeldes, nach dessen Durchlauf durch die dünne Glasscheibe gewährte den Forschern nun erstmals direkte Einblicke in die Attosekunden-schnelle Elektronenbewegungen, die Licht in einem Festkörper verursacht.

Lichttechnologie beschleunigt Datenverarbeitung dramatisch

Mit dieser Messtechnik schlossen die Wissenschaftler, dass die Elektronen nur geringfügig um einige zehn Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde) zeitversetzt auf das einfallende Lichtfeld reagierten. Diese zeitversetzte Reaktion definiert den Energietransfer zwischen Licht und Materie. Ein weitere wichtige Erkenntnis, die die Wissenschaftler der Universität Tsukuba (Japan) gewannen war, dass ein potentielles Schaltmedium für künftige lichtgesteuerte Elektronik nicht überhitzt. Und das ermöglicht wahrscheinlich eine dramatischen Beschleunigung der elektronischen Signal- und Datenverarbeitung.

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