17.10.2018 Höchste Taktraten lassen Elektronik kalt

Internationales Physiker-Team kombiniert Lichtwellen-Elektronik mit topologischen Isolatoren

Das elektrische Feld von Licht beschleunigt Elektronen (grüne Streifen) an der Oberfläche eines topologischen Isolators (elektronenmikroskopische Aufnahme links oben) bei optischen Taktraten. Die Kopplung zwischen Bewegungsrichtung und Spin hindert Elektronen, mit dem Kristallgitter zu streuen. Dies ermöglicht verlustfreie Elektronik bei Rekordgeschwindigkeiten.

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. Die Forschergruppe berichtet über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature".

Das Physiker-Team um Professor Dr. Ulrich Höfer, Fachbereich Physik der Universität Marburg, und Professor Dr. 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 sogenannte topologische Isolatoren ein, deren ungewöhnliche Eigenschaften erst seit wenigen Jahren bekannt sind (siehe Nobelpreis für Physik 2016 an Kosterlitz, Haldane und Thouless). Auf der Oberfläche dieser Materialien sollten alle Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, ihren Eigendrehimpuls, den sogenannten 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.

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. Die Beschleunigung tritt aber nur für den extrem kurzen Zeitraum einer halben Lichtschwingung auf. Allein um diese Elektronenbewegung zu beobachten, mussten die Physiker ganz nebenbei eine neue Messmethode entwickeln. Den Schlüssel zum Erfolg brachte ein Verfahren, das seit Jahren weltweit führend vom Marburger Team vorangetrieben wurde: Zeitaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie. Während der Beschleunigung lösen die Wissenschaftler mit ultravioletten Lichtimpulsen Elektronen aus der Oberfläche des topologischen Isolators aus und machen gewissermaßen Momentaufnahmen ihrer Geschwindigkeit. 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. „Absolut faszinierend", findet Höfer das Experiment, das seine zwei Mitarbeiter zusammen mit der Huber-Gruppe in Regensburg aufgebaut haben, „man meint förmlich zu träumen, wenn man die Ergebnisse zum ersten Mal sieht, so eindeutig und doch verblüffend sind sie".

Die Physiker stellen fest, dass sich die Elektronen ähnlich wie Teilchen benehmen, die in einem großen Beschleuniger nahe Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Noch wichtiger: Trotz der rasanten Beschleunigung funktioniert die theoretisch erwartete Kopplung zwischen Bewegungsrichtung 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 Billardkugel, die geradeaus rollt, solange sie von keiner anderen Kugel abgelenkt wird – nur viel, viel schneller", erklärt Huber und freut sich: „Topologische Lichtwellen-Elektronik ist schnell, verlustfrei und kompakt – und somit womöglich die Technologie der Zukunft." (Pressetext: Christina Glaser, Universität Regensburg)

Originalpublikation:
J. Reimann, S. Schlauderer, C. P. Schmid, F. Langer, S. Baierl, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. Kimura, C. Lange, J. Güdde, U. Höfer, and R. Huber,
"Subcycle observation of lightwave-driven Dirac currents in a topological surface band",
Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0544-x