Rechner schneller steuern wollen Physiker der Philipps-Universit\u00e4t. Kurze Lichtblitze sollen dabei helfen.
\nSie eignen sich dazu, den raschen Wechsel zwischen zwei Energiezust\u00e4nden in einem Halbleiter zu kontrollieren, womit eine Voraussetzung erf\u00fcllt ist, um automatische Rechenoperationen auszuf\u00fchren, die erheblich schneller vonstattengehen als mit herk\u00f6mmlicher Elektronik. Zu diesem Resultat kamen die Physiker aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor in den USA aufgrund von Laserexperimenten und theoretischen Untersuchungen. Die Forschungsgruppe berichtet \u00fcber ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin „Nature“.
\nComputer bestehen aus Bauteilen, die auf der Bewegung von Elektronen basieren. Der Elektronentransport kommt durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zustande. Lange Zeit wurde der Ruf nach verbesserten Leistungen mit h\u00f6heren Taktraten und einer fortschreitenden Miniaturisierung der Bauteile beantwortet.
\n„Eine weitere Verkleinerung und Beschleunigung st\u00f6\u00dft jedoch an fundamentale Grenzen“, erkl\u00e4rte Dr. Peter Hawkins. Der Marburger Physiker ist einer der Erstautoren des Aufsatzes.
\n„Einen Ausweg er\u00f6ffnet die Kontrolle von Elektronenbewegung durch das elektrische Feld einer Lichtwelle“, f\u00fchrte Fabian Langer von der Universit\u00e4t Regensburg aus, der sich mit Hawkins die Erstautorenschaft teilt: Extrem kurze Lichtblitze sind in der Lage, die Bewegung von Elektronen auf einer ultra-kurzen Zeitskala zu manipulieren und zu steuern. Das erlaubt eine millionenfach schnellere Steuerung von elektrischen Str\u00f6men, mit der sich die Beschr\u00e4nkungen konventioneller Elektronik \u00fcberwinden lassen.
\nDas Team um Prof. Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universit\u00e4t, Prof. Dr. Mackillo Kira aus Ann Arbor sowie den Professoren Dr. Jaroslav Fabian, Dr. Christian Sch\u00fcller, Dr. Tobias Korn und Dr. Rupert Huber von der Universit\u00e4t Regensburg ging nun daran, einen solchen Prozess in einem neuartigen Halbleitermaterial zu untersuchen. Dieses Material besteht aus einer einzigen Schicht von Wolfram-Atomen, die auf beiden Seiten von Selen-Atomen umgeben ist.
\nEin schwacher Lichtpuls gen\u00fcgt, um Elektronen in diesem hauchd\u00fcnnen Halbleiter zu zwei unterschiedlichen – voneinander getrennten –
\nEnergiezust\u00e4nden anzuregen, die Fachleute als „T\u00e4ler“ bezeichnen. W\u00e4hlt man die Einstellung der Lichtquelle geschickt, so lassen sich die beiden T\u00e4ler getrennt voneinander anregen, wobei Elektronen gezielt nur in einem der beiden T\u00e4ler entstehen.
\n„Die beiden T\u00e4ler unterscheiden sich durch eine quantenphysikalische Eigenschaft, n\u00e4mlich ihren Pseudospin“, erl\u00e4uterte der Marburger Physiker Dr. Ulrich Huttner, der ebenfalls an der wissenschaftlichen Ver\u00f6ffentlichung beteiligt ist. Um diese Ph\u00e4nomene irgendwann zum Rechnen verwenden zu k\u00f6nnen, muss man den Wechsel von einem Zustand zum anderen unter Kontrolle bringen. Das ist den Physikern jetzt gelungen.
\nZu diesem Zweck bestrahlten die Regensburger Experimentatoren das hauchd\u00fcnne Material zun\u00e4chst mit kurzen, starken Lichtpulsen, um Elektronen zwischen den beiden Energiet\u00e4lern zu transportieren. Dabei kommt es zu kurzen Lichtblitzen, die R\u00fcckschl\u00fcsse darauf zulassen, in welchem Tal sich das Elektron befindet.
\nF\u00fcr die Analyse kombinierten die Physiker aus Marburg und Ann Arbor verschiedene Methoden der Theoretischen Physik: Sie berechneten einerseits die Eigenschaften des Halbleiters und griffen andererseits auf Modelle der Quantenmechanik zur\u00fcck, um die Prozesse im Inneren des Materials zu beschreiben. Die Untersuchungen best\u00e4tigten, dass die auftretenden Effekte tats\u00e4chlich auf einer \u00c4nderung des Pseudospins beruhen, die durch ein sehr starkes Lichtfeld verursacht wird.
\n„Wir zeigen mit unseren Untersuchungen erstmals, dass man den Pseudospin in k\u00fcrzesten Zeitintervallen durch Lichtwellen \u00e4ndern kann“, schrieben die Autoren. „Solch ein Schalt-Prozess k\u00f6nnte in Zukunft ein wichtiger Baustein im Gebiet der Lichtwellen-Elektronik sein“, vermuten die Verfasser. „Das Zusammenspiel von experimenteller und theoretischer Physik stellt einen ganzen Besteckkasten neuartiger Instrumente bereit, wie sie f\u00fcr die k\u00fcnftige Quanteninformationstechnologie ben\u00f6tigt werden.“
\nDie Arbeitsgruppen aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor kooperieren bereits seit geraumer Zeit miteinander, um Experiment und Theorie zu kombinieren. Koch lehrt Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universit\u00e4t. Er ist Tr\u00e4ger des Leibniz-Preises der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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