Halb­lei­ter­elek­tro­nik wird immer schnel­ler aber irgend­wann erlaubt die Phy­sik keine Stei­ge­rung mehr. TU Wien, TU Graz und Max-Planck-Insti­tut für Quan­ten­op­tik in Gar­ching unter­su­chen nun die Grenzen.

Wie schnell kann Elek­tro­nik noch wer­den ? Wenn Com­pu­ter­chips mit immer kür­ze­ren Signa­len und immer klei­ne­ren Zeit­ab­stän­den arbei­ten, wer­den irgend­wann phy­si­ka­li­sche Gren­zen erreicht. Die quan­ten­me­cha­ni­schen Pro­zesse, die in einem Halb­lei­ter­ma­te­rial die Ent­ste­hung von elek­tri­schem Strom ermög­li­chen, brau­chen ihre Zeit. Schnel­ler ist Signal­ent­ste­hung und Signal­über­tra­gung ein­fach nicht möglich.

Vom Feld zum Strom
Diese Gren­zen konn­ten TU Wien, TU Graz und das Max-Planck-Insti­tut für Quan­ten­op­tik in Gar­ching nun in einem gemein­sa­men Pro­jekt aus­lo­ten : Spä­tes­tens bei etwa einem Peta­hertz (eine Mil­lion Giga­hertz) kann die Geschwin­dig­keit nicht wei­ter gestei­gert wer­den, selbst wenn das Mate­rial auf opti­male Weise mit Laser­pul­sen ange­regt wird. Die­ses Resul­tat wurde aktu­ell nun auch im Fach­jour­nal „Nature Com­mu­ni­ca­ti­ons“ veröffentlicht.

Elek­tri­scher Strom und Licht, also elek­tro­ma­gne­ti­sche Fel­der, gehö­ren untrenn­bar zusam­men. Das gilt auch in der Mikro­elek­tro­nik, wo in Mikro­chips Strom mit Hilfe elek­tro­ma­gne­ti­scher Fel­der kon­trol­liert wird. Damit kann etwa ein elek­tri­sches Feld an einen Tran­sis­tor ange­legt wer­den und je nach­dem, ob das Feld ein­ge­schal­tet ist oder nicht, lässt der Tran­sis­tor Strom flie­ßen oder blo­ckiert ihn. 

Laser­puls bringt Elek­tro­nen in ener­gie­rei­che­ren Zustand
So wird ein elek­tro­ma­gne­ti­sches Feld in ein Strom­si­gnal umge­wan­delt. Sol­len nun die Gren­zen die­ser Umwand­lung von elek­tro­ma­gne­ti­schen Fel­dern zu Strom­si­gna­len aus­ge­lo­tet wer­den, dann braucht es statt Tran­sis­to­ren vor­zugs­weise Laser­pulse als die aktu­ell schnells­ten und prä­zi­ses­ten elek­tro­ma­gne­ti­schen Felder.

„Mate­rial, das zunächst kei­nen elek­tri­schen Strom lei­tet, wird mit einem ultra­kur­zen Laser­puls mit einer Wel­len­länge im extre­men UV-Bereich beschos­sen. Die­ser Laser­puls bringt die Elek­tro­nen in einen ener­gie­rei­che­ren Zustand, sodass sie sich plötz­lich frei bewe­gen kön­nen und so wird das Mate­rial durch den Laser­puls kurz­fris­tig zum elek­tri­schen Lei­ter“, erklärt Joa­chim Burg­dör­fer vom Insti­tut für Theo­re­ti­sche Phy­sik der TU Wien. 

Die ent­schei­den­den Fragen
Sobald sich im Mate­rial frei beweg­li­che Ladungs­trä­ger befin­den, kön­nen sie von einem zwei­ten, etwas län­ge­ren Laser­puls in eine bestimmte Rich­tung bewegt wer­den. So ent­steht ein elek­tri­scher Strom, der dann mit Elek­tro­den auf bei­den Sei­ten des Mate­ri­als detek­tiert wer­den kann. Diese Vor­gänge lau­fen extrem schnell ab – auf einer Zeit­skala von Atto- oder Fem­to­se­kun­den. „Heute haben wir die tech­no­lo­gi­schen Mög­lich­kei­ten, den zeit­li­chen Ablauf die­ser ultra­schnel­len Vor­gänge im Detail zu stu­die­ren“, ergänzt Chris­toph Lemell von der TU Wien.

Die ent­schei­den­den Fra­gen sind nun : Wie schnell reagiert das Mate­rial auf den Laser ? Wie lange dau­ert die Signal­ent­ste­hung und wie lange muss man war­ten, bis das Mate­rial dem nächs­ten Signal aus­ge­setzt wer­den kann ? Die Expe­ri­mente dazu wur­den in Gar­ching und Graz durch­ge­führt, die theo­re­ti­sche Arbeit sowie auf­wän­dige Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen ent­stan­den an der TU Wien.