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.
Taktraten in Tera- oder gar Petahertz denkbar
Das Physiker-Team um Prof. Ulrich Höfer, Fachbereich Physik der Universität Marburg, und Prof. 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 so genannte topologische Isolatoren ein, deren ungewöhnliche Eigenschaften erst seit wenigen Jahren bekannt sind.
Elektronen mit gleich ausgerichtetem Spin
Auf der Oberfläche dieser Materialien sollten alle Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, ihren Eigendrehimpuls, den so genannten 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.
Zeitlupenfilm von beschleunigten Elektronen
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. Mit Hilfe einer zeitaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie konnten die Wissenschaftler quasi Momentaufnahmen der beschleunigten Elektronen machen. 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.
Womöglich Technologie der Zukunft
Dabei zeigte sich, dass sich die Elektronen über große Distanzen vollkommen ballistisch bewegen, ohne am Gitter zu streuen und damit Wärme zu erzeugen – trotz der rasanten Beschleunigung auf Lichtgeschwindigkeit funktioniert die theoretisch erwartete Kopplung zwischen Bewegungsrichtung und Spin also gut. „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.“
www.nature.com/articles/s41586–018–0544-x
www.uni-regensburg.de/pressearchiv/pressemitteilung/911605.html
