Die Geschwindigkeit von Computern und anderen elektronischen Geräten wird von Elektronen bestimmt. Genauer gesagt von der Dauer den sie brauchen, um aus winzigen Kontakten im Inneren der Transistoren elektronischer Mikrochips zu strömen. Methoden zur Beschleunigung dieses Prozesses sind daher von zentraler Bedeutung für die Weiterentwicklung der Elektronik und ihrer Anwendungen bis an die ultimativen Grenzen der Leistungsfähigkeit. Doch was ist die kürzeste mögliche Strömungsdauer von Elektronen aus einer winzigen Metallleitung in einem elektronischen Schaltkreis?
Dieser Frage sind ein Forscherteam um Prof. Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Arbeitsgruppe Extreme Photonik am Institut für Physik der Universität Rostock, und Mitarbeitende des Max-Planck-Instituts für Festkörperphysik in Stuttgart nachgegangen. Mit extrem kurzen Lichtblitzen, erzeugt mittels modernster Lasertechnologie, haben sie Elektronen aus einer Wolfram-Nanospitze herausgeschossen und so den bisher kürzesten Elektronenpuls erzeugt. Er dauerte nur 53 Attosekunden, also 53 Milliardstel einer Milliardstel Sekunde.
Bisher für Elektronik zu schwer zu kontrollieren
Tatsächlich ist schon seit langem bekannt, dass Licht durch den sogenannten Photoeffekt Elektronen aus Metallen herauslösen kann. Für die Erklärung des Photoeffekts wurde Albert Einstein 1921 mit dem Nobelpreis geehrt. Dennoch ist dieser Prozess bis heute äußerst schwer zu manipulieren, da das elektrische Feld des Lichts seine Richtung etwa eine Million Milliarden Mal pro Sekunde umdreht. Das macht es extrem schwierig zu kontrollieren, wie und wann es die Elektronen aus der Oberfläche eines Metalls herausreißt.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, nutzten die Rostocker Wissenschaftler und ihre Kollaborationspartner die zuvor von ihnen entwickelte Technologie der so genannten Lichtfeldsynthese. Diese ermöglicht es ihnen, einen Lichtblitz auf weniger als eine volle Schwingung seines eigenen Feldes zu verkürzen. Mit solchen Lichtblitzen beschossen die Forscher die Spitze einer winzigen Wolframnadel um Elektronen ins Vakuum zu schleudern. „Mit Lichtpulsen, die lediglich einen einzigen Zyklus des Feldes umfassen, ist es nun möglich, den Elektronen einen genau kontrollierten Kick zu geben, so dass sie innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls aus der Wolframspitze herausgelöst werden“, erklärt Eleftherios Goulielmakis.
Zukünftige Elektronik um das Tausendfache beschleunigen
Aber wie könnte diese neue Methodik in der Elektronik eingesetzt werden? „Da moderne Technologien schnell voranschreiten, ist zu erwarten, dass zukünftig mikroskopisch kleine elektronische Schaltkreise entwickelt werden, in denen sich die Elektronen im Vakuum zwischen dicht gepackten Leitungen bewegen, um so Hindernisse zu vermeiden, die sie verlangsamen“, so Goulielmakis. „Die Verwendung von Licht, um Elektronen aus diesen Leitungen herauszulösen und zwischen ihnen zu bewegen, könnte die zukünftige Elektronik um das Tausendfache ihrer heutigen Geschwindigkeit beschleunigen“, erklärt er.
Kontakt:
Universität Rostock
Prof. Dr. Eleftherios Goulielmakis
Telefon: +49 (0)381 498 6800
E-Mail: e.goulielmakis@uni-rostock.de
www.uni-rostock.de
www.nature.com/articles/s41586–022–05577–1
