electronica 2018

••• 10••• Innovationen Zukünftig könnte die Taktrate von Computern bis in den Petahertz-Bereich reichen. Foto: Clément H on Unsplash Hohe Taktraten lassen PC kalt Physiker verbinden Lichtwellen-Elektronik mit topologischen Isolatoren E lektronische Geräte werden immer schneller, leistungsfähiger – und hei- ßer. Die klassische Elektronik stößt an Grenzen. Seit einigen Jahren stag- niert die Taktrate von Computern, das heißt die Anzahl der mögli- chen Rechenoperationen pro Se- kunde und Transistor, da die ther- mische Belastung zu groß wird. Physiker der Universitäten Re- gensburg, Marburg und Hiroshima sowie der Russischen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk haben eine Möglichkeit entdeckt, die Taktraten der Elektronik den- noch massiv zu erhöhen – ohne zusätzliche Wärmeentwicklung. Das Physiker-Team um Professor Dr. Ulrich Höfer, Fachbereich Phy- sik der Universität Marburg, und Professor Dr. Rupert Huber, Ins- titut für Experimentelle und An- gewandte Physik der Universität Regensburg, nutzt mit der Licht- wellen-Elektronik das schnellste kontrollierbare Wechselfeld, das es in der Natur gibt: die Trägerwel- le von Licht. Verwendet man die- ses Wechselfeld als Taktgeber, so sollte man Elektronik im Prinzip tausendfach beschleunigen können – statt in Giga- hertz würde man Taktraten in Tera- oder gar Petahertz messen. Allerdings nur in der Theorie, denn dann würden die Elektronen auch häufiger an Kristallato- me 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 Silizi- um setzen sie sogenannte topologische Isolatoren ein, deren ungewöhnliche Eigenschaften erst seit wenigen Jahren bekannt sind. Auf der Oberfläche dieser Materialien sollten alle Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, ihren Ei- gendrehimpuls, den sogenannten Spin, gleich ausrichten, während die Spins ge- genläufiger Elektronen in die gegensätz- liche Richtung weisen. Würden Elektro- nen ihre Bewegungsrichtung nun durch Streuung ändern, so müsste auch ihr Spin umklappen. Da dies quantenphysi- kalisch nicht einfach möglich ist, streuen solche Elektronen selten und entwickeln damit auch kaumWärme. Nun haben die Forscher Lichtwellen- Elektronik erstmals mit topologischen Isolatoren kombiniert. Dafür haben sie Lichtimpulse aus der Regensbur- ger Hochfeld-Terahertzquelle auf einen topologischen Isolator fokussiert und die Elektronen auf seiner Oberfläche beschleunigt. Die Beschleunigung tritt aber nur für den extrem kurzen Zeit- raum einer halben Lichtschwingung auf. Allein um diese Elektronenbewegung zu beobachten, mussten die Physiker eine neue Messmethode entwi- ckeln. Zum Erfolg führte ein Ver- fahren, das seit Jahren weltweit führend vom Marburger Team vorangetrieben wurde: Zeitauf- gelöste Photoelektronen-Spekt- roskopie. Während der Beschleu- nigung lösen die Wissenschaftler mit ultravioletten Lichtimpulsen Elektronen aus der Oberfläche des topologischen Isolators aus und machen quasi Momentauf- nahmen ihrer Geschwindigkeit. Aus solchen Schnappschüssen lassen sich schließlich ganze Zeit- lupenfilme zusammensetzen, die zeigen, wie sich die Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators auf der Zeitskala kürzer als eine einzige Lichtschwingung bewegen. Die Physiker stellen fest, dass sich die Elektronen ähnlich wie Teilchen benehmen, die in einem großen Beschleuniger nahe Lichtge- schwindigkeit gebracht wurden. Noch wichtiger: Trotz der rasanten Beschleu- nigung funktioniert die theoretisch erwartete Kopplung zwischen Bewe- gungsrichtung 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 Bil- lardkugel, die geradeaus rollt, solange sie von keiner anderen Kugel abgelenkt wird – nur viel, viel schneller“, erklärt Professor Huber und freut sich: „Topolo- gische Lichtwellen-Elektronik ist schnell, verlustfrei und kompakt – und somit wo- möglich die Technologie der Zukunft.“ Das elektrische Feld von Licht beschleu- nigt Elektronen (grüne Streifen) an der Oberfläche eines topologischen Isolators (elektronenmikroskopische Aufnahme links oben) bei optischen Taktraten. Foto: U. Höfer, R. Huber, Abbildung: Brad Baxley (part- towhole.com ) Impressum electronica 2018 Verlag: CONNEX Print & Multimedia AG Große Packhofstraße 27/28 30159 Hannover Telefon: +49 511 830936 Telefax: +49 511 56364608 E-Mail: connex@die-messe.de Internet: www.die-messe.de Auflage IVW-geprüft. 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