10.000 mal schneller als jeder Transistor: Nanospiegel stellt einen neuen Rekord im ultraschnellen Schalten auf

Die Suche nach immer schnelleren Schaltprozessen in Informations- und Kommunikationstechnologien führt die physikalische Forschung zunehmend vom Elektron zum Photon. Während klassische Transistoren in heutigen Mikroprozessoren elektrische Ströme nutzen und durch ihre physikalischen Eigenschaften in der Taktrate limitiert sind, eröffnet die Kontrolle von Licht auf nanometrischer Skala neue Wege. Ein aktuelles Beispiel dafür ist die Entwicklung neuartiger optischer Schalter, die in Bruchteilen einer Femtosekunde ihre Lichtdurchlässigkeit verändern können und damit viele Tausend Mal schneller arbeiten als herkömmliche elektronische Bauelemente. Diese Fortschritte sind ein Hinweis darauf, wie photonische Komponenten künftig große Teile der Datenverarbeitung übernehmen könnten, wenn sich die Technologie aus dem Labor in praktikable Anwendungen wandelt.

Bild: Universität Oldenburg / Marcus Windus

Optische Schalter auf Atom- und Nanometerskala

Im Zentrum der aktuellen Forschung steht eine Nanostruktur, die aus einer hochpräzise bearbeiteten Silberoberfläche und einer atomar dünnen Schicht eines Halbleiters besteht. Diese Schicht ist nicht viel dicker als ein paar Atomlagen und wird auf ein Gitter aus winzigen Rillen gebracht, die im Nanometerbereich liegen. Trifft Licht auf diese Struktur, so setzt es dort sogenannte Plasmonwellen frei, die sich entlang der Oberfläche ausbreiten. Gleichzeitig entstehen im Halbleiter Exzitonen, also gekoppelte Paare aus Elektronen und den sogenannten Löchern, die durch das Fehlen eines Elektrons zurückbleiben. In diesem aktiven Material entstehen quantenmechanische Zustände, in denen sich Eigenschaften von Licht und Materie überlagern.

Was diese Kombination besonders macht, ist die Möglichkeit, die Reflexionseigenschaften des Materials in extrem kurzer Zeit gezielt zu verändern. Mit einem kurzen, intensiven Laserimpuls lässt sich die Stärke der Wechselwirkung zwischen Plasmonwellen und Exzitonen steuern. In Experimenten gelang es, die Menge des reflektierten Lichts in weniger als 70 Femtosekunden zu modulieren – ein Zeitmaß, das eine Millionstel einer Milliardstel Sekunde darstellt. Damit reagieren diese Nanospiegel etwa 10.000-mal schneller als ein klassischer elektronischer Transistor, der elektrische Ströme steuert.

Licht statt Elektronen ermöglicht schnelle Schaltzeiten

Die ultrakurzen Schaltzeiten werden möglich, weil Photonen und die durch sie angeregten Zustände im Material extrem schnelle Energieübertragungen erlauben. In klassischen Transistoren sind Bewegungen von Elektronen durch Halbleiter und ihre Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter begrenzende Faktoren. Lichtbasierte Schalter hingegen umgehen viele dieser Einschränkungen, da Photonen im Material nahezu ungehindert agieren können. In der Nanostruktur aus Silber und Wolframdisulfid ist die Kopplung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Lichts und den kollektiven Plasmon-Exziton-Zuständen so stark, dass sich die optischen Eigenschaften innerhalb Femtosekunden verändern lassen.

Allerdings führen diese hochkomplexen Wechselwirkungen auch zu Herausforderungen. So ist die Effizienz der Reflexionsänderung bei den ersten Prototypen noch relativ gering; die Lichtintensität des reflektierten Strahls ändert sich nur um einen kleinen Prozentsatz. Eine praktische Anwendung in photonischen Schaltkreisen erfordert daher nicht nur eine noch schnellere, sondern auch eine robustere und effizientere Modulation. Zudem müssen sich solche Nanostrukturen zuverlässig herstellen und in größere Systeme integrieren lassen. Die Materialforschung muss daher Wege finden, die aktiven Metamaterialien so zu designen, dass sie neben ultraschnellen Schaltzeiten auch in realen Anwendungen bestehen können.

Neuartige Schalter bringen neue Möglichkeiten

Die Aussicht, Licht statt Elektronen zum Schalten von Zuständen zu verwenden, eröffnet Perspektiven für die gesamte Architektur von Rechensystemen. Optische Schalter könnten die Grundlage für photonische Prozessoren bilden, in denen Informationen mit Lichtsignalen übertragen und verarbeitet werden. Eine solche all-optische Datenverarbeitung könnte die Taktraten von Rechnern drastisch erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch reduzieren, da Photonen keine elektrischen Widerstände überwinden müssen. In Sensorik, Quantencomputing und integriertem optischen Routing könnten ultraschnelle Nanospiegel bereits in naher Zukunft nützliche Funktionen übernehmen. Wie beteiligte Forscher:innen betonen, besteht die eigentliche Aufgabe darin, die aktiven Metamaterialien so zu optimieren und zu gestalten, dass funktionale Bauelemente für photonische Schaltungen entstehen.

via Universität Oldenburg