Elektronik der Zukunft 25.10.2016, 10:28 Uhr

Computer werden Millionen Mal schneller

Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen Max-Planck-Forscher Elektronen mit unvorstellbarem Tempo durch Festkörper rasen. Was jetzt noch Grundlagenphysik ist, könnte elektronische Geräte zu heute noch unvorstellbaren Leistungen treiben.

Lichtpulse erzeugen elektrische Ströme, die schwingen. Die dabei ausgestrahlte EUV-Strahlung (Extrem-Ultraviolett) erlaubt es, diese elektrischen Ströme in Echtzeit aufzuzeichnen.

Lichtpulse erzeugen elektrische Ströme, die schwingen. Die dabei ausgestrahlte EUV-Strahlung (Extrem-Ultraviolett) erlaubt es, diese elektrischen Ströme in Echtzeit aufzuzeichnen.

Foto: Forschungsgruppe Attoelectronics/MPQ

Computer, Smartphones und andere elektronische Geräte erreichen in Zukunft heute noch unvorstellbar hohe Arbeitsgeschwindigkeiten. Möglich macht das die Forschungsgruppe Attoelektronics am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Hier geht es um Attosekunden, das sind Milliardstel Teile einer Milliardstel Sekunde.

Eleftherios Goulielmakis, dem Leiter der Gruppe, und seinem Team ist es gelungen, mit ultrakurzen Laserpulsen Elektronen zu extrem schnellen Schwingungen anzuregen. Der daraus resultierende Strom rast millionenfach schneller durch die winzigen Leiterbahnen etwa in einem Computerchip. Entsprechend leistungsfähiger wird das Gerät.

Vorerst gibt es allerdings lediglich ein sensationelles Ergebnis in der Grundlagenforschung. Ob es sich auf Geräte übertragen lässt, die im Alltag eingesetzt werden, ist noch nicht gesagt. Auf jeden Fall wird es noch dauern.

Laser lassen Elektronen rasen

Im Normalfall fließen Elektronen, also der elektrische Strom, auf Grund der Spannung zwischen Plus- und Minuspol etwa einer Batterie. Unterwegs kollidieren sie zuweilen mit anderen Teilchen, sodass sie die mögliche Höchstgeschwindigkeit nie erreichen. Laserpulse lassen die Elektronen in unvorstellbar kurzer Zeit mit extrem hoher Frequenz schwingen.

Ultraschnelle Laser treiben die Bewegung von Elektronen in Siliziumdioxid, wodurch EUV-Strahlung erzeugt wird. 

Ultraschnelle Laser treiben die Bewegung von Elektronen in Siliziumdioxid, wodurch EUV-Strahlung erzeugt wird. 

Quelle: Christian Hackenberger/MPQ

Daraus resultiert ein elektrischer Strom, der so schnell fließt, dass ihm keine Hindernisse in den Weg kommen, die ihn bremsen könnten. „Es handelt sich dabei um die schnellsten jemals in einem Festkörper erzeugten elektrischen Ströme“, sagt Goulielmakis.

Die wundersame Wandlung von Siliziumdioxid

Die Garchinger Forscher arbeiteten mit Siliziumdioxid, einem transparenten Material. Im Normalfall ist es ein Isolator, lässt Elektronen also nicht passieren. Intensive Laserpulse wandeln das besser als Quarz oder Bergkristall bekannte Material in einen Leiter um, der für die geplanten Experimente ideale Eigenschaften mitbringt. Dass die Elektronen sich so schnell bewegen hat das Team tatsächlich gemessen, allerdings nur indirekt. „Statt die elektrischen Ströme direkt nachzuweisen messen wir die Schwingungen der EUV-Strahlung (Extrem-Ultraviolett), welche die im Siliziumdioxid kohärent schwingenden Elektronen erzeugen“, sagt Manish Garg, der zum Team gehört.

Die so nachgewiesenen Ströme sind etwa eine Million mal schneller als die in einem gängigen modernen Computerprozessor. „Auch wenn unser Fokus darauf liegt, die physikalischen Grenzen auszuloten, könnte unsere Untersuchung den Weg ebnen, in den kommenden Jahren elektronische Geräte zu entwickeln, die eine Million mal schneller als heutige sind“, formuliert es Minjie Zhan, ein Forscher in der Gruppe von Goulielmakis, mit aller Vorsicht.

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