Höchste Taktraten lassen Elektronik kalt

Neues aus der Forschung

Meldung vom 26.09.2018

nternationales Physiker-Team kombiniert Lichtwellen-Elektronik mit topologischen Isolatoren


181003-1542_medium.jpg
J. Reimann, S. Schlauderer, C. P. Schmid, F. Langer, S. Baierl, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. Kimura, C. Lange, J. Güdde, U. Höfer, and R. Huber
Subcycle observation of lightwave-driven Dirac currents in a topological surface band
Nature (2018)
DOI: 10.1038/s41586-018-0544-x

 
Das elektrische Feld von Licht beschleunigt Elektronen (grüne Streifen) an der Oberfläche eines topologischen Isolators (elektronenmikroskopische Aufnahme links oben) bei optischen Taktraten.

Sie werden immer schneller, leistungsfähiger – und heißer. Elektronische Geräte schreiten in ihrer Entwicklung rasant voran. Doch allmählich werden die Grenzen der klassischen Elektronik spürbar. Seit einigen Jahren stagniert die Taktrate von Computern, das heißt die Anzahl der möglichen Rechenoperationen pro Sekunde und Transistor, da die thermische Belastung zu groß wird. Physiker der Universitäten Regensburg, Marburg und Hiroshima sowie der Russischen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk haben nun eine Möglichkeit entdeckt, die Taktraten der Elektronik dennoch massiv zu erhöhen – und zwar ohne zusätzliche Wärmeentwicklung. Die Forschergruppe berichtet über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature“.

Das Physiker-Team um Prof. Dr. Ulrich Höfer, Fachbereich Physik der Universität Marburg, und Prof. Dr. Rupert Huber, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, nutzt mit der Lichtwellen-Elektronik das schnellste kontrollierbare Wechselfeld, das es in der Natur gibt: die Trägerwelle von Licht. Verwendet man dieses Wechselfeld als Taktgeber, so sollte man Elektronik im Prinzip tausendfach beschleunigen können – statt in Gigahertz würde man Taktraten in Tera- oder gar Petahertz messen. Allerdings nur in der Theorie, denn dann würden die Elektronen auch häufiger an Kristallatome stoßen, wodurch noch mehr Wärme erzeugt würde. Um dies zu verhindern, haben die Forscher tief in die Trickkiste der modernen Physik gegriffen: Statt des üblichen Halbleitermaterials Silizium setzen sie sogenannte topologische Isolatoren ein, deren ungewöhnliche Eigenschaften erst seit wenigen Jahren bekannt sind (siehe Nobelpreis für Physik 2016 an Kosterlitz, Haldane und Thouless). Auf der Oberfläche dieser Materialien sollten alle Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, ihren Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, gleich ausrichten, während die Spins gegenläufiger Elektronen in die gegensätzliche Richtung weisen. Würden Elektronen ihre Bewegungsrichtung nun durch Streuung ändern, so müsste auch ihr Spin umklappen. Da dies quantenphysikalisch nicht einfach möglich ist, streuen solche Elektronen selten und entwickeln damit auch kaum Wärme.

Nun haben die Forscher Lichtwellen-Elektronik erstmals mit topologischen Isolatoren kombiniert. Dafür haben sie Lichtimpulse aus der Regensburger Hochfeld-Terahertzquelle auf einen topologischen Isolator fokussiert und die Elektronen auf seiner Oberfläche beschleunigt. Die Beschleunigung tritt aber nur für den extrem kurzen Zeitraum einer halben Lichtschwingung auf. Allein um diese Elektronenbewegung zu beobachten, mussten die Physiker ganz nebenbei eine neue Messmethode entwickeln. Den Schlüssel zum Erfolg brachte ein Verfahren, das seit Jahren weltweit führend vom Marburger Team vorangetrieben wurde: Zeitaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie.

Während der Beschleunigung lösen die Wissenschaftler mit ultravioletten Lichtimpulsen Elektronen aus der Oberfläche des topologischen Isolators aus und machen gewissermaßen Momentaufnahmen ihrer Geschwindigkeit. Aus solchen Schnappschüssen lassen sich schließlich ganze Zeitlupenfilme zusammensetzen, die zeigen, wie sich die Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators auf der Zeitskala kürzer als eine einzige Lichtschwingung bewegen. „Absolut faszinierend“, findet Professor Höfer das Experiment, das seine zwei Mitarbeiter zusammen mit der Huber-Gruppe in Regensburg aufgebaut haben, „man meint förmlich zu träumen, wenn man die Ergebnisse zum ersten Mal sieht, so eindeutig und doch verblüffend sind sie“.

Die Physiker stellen fest, dass sich die Elektronen ähnlich wie Teilchen benehmen, die in einem großen Beschleuniger nahe Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Noch wichtiger: Trotz der rasanten Beschleunigung funktioniert die theoretisch erwartete Kopplung zwischen Bewegungs¬richtung und Spin so gut, dass sich die Elektronen über große Distanzen vollkommen ballistisch bewegen, ohne am Gitter zu streuen und damit Wärme zu erzeugen. „Das ist wie bei einer Billardkugel, die geradeaus rollt, solange sie von keiner anderen Kugel abgelenkt wird – nur viel, viel schneller“, erklärt Prof. Huber und freut sich: „Topologische Lichtwellen-Elektronik ist schnell, verlustfrei und kompakt – und somit womöglich die Technologie der Zukunft.“


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung