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Ultraschnelle Laserimpulse für die Computeranwendungen der Zukunft

Die Wissenschaft muss in Billionstelsekunden ablaufende Ereignisse auf atomarer Ebene erfassen, um ganz neue Arten von Optik und Elektronik entwickeln und bauen zu können.

Digitale Wirtschaft

Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Computern alle zwei Jahre verdoppelt. Im Großen und Ganzen hat sich diese Vorhersage bewahrheitet, aber irgendwann werden Silizium-Mikrochips dermaßen klein und schnell, dass atomare Wechselwirkungen ins Spiel kommen und den weiteren Fortschritt blockieren. Das EU-finanzierte Projekt DIVI möchte diese Grenze durchbrechen, indem es Einblicke in die Lichtwellenelektronik gewinnt, in der optische Prinzipien ausgenutzt werden, um Elektronen in atomaren Dimensionen zu lenken und zu steuern.

Die Datenverarbeitung der nächsten Generation im Blick

„Die Werkstoffe werden keine Halbleiter sein, sondern künstliche molekulare Kristalle und Metamaterialien“, sagt Peter Baum, Koordinator des Projekts DIVI. „Diese werden bei optischen Frequenzen von 100 Terahertz arbeiten, was mehr als 1 000 mal schneller als herkömmliche Elektronik ist.“ Das Prinzip der Lichtwellencomputer besteht darin, Elektronen mithilfe der unvorstellbar schnellen Schwingungen des Laserlichts durch ein Material hindurchzuleiten, wodurch ein bisher bei der existierenden Elektronik unerreichbares Maß an Geschwindigkeit und Steuerung geboten wird. An die Stelle der traditionellen Siliziumkomponenten treten atomare Strukturen und Metamaterialien, winzige Antennenarrays, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind und Amplitude und Phase des Lichts ganz nach Bedarf formen können. Die anspruchsvolle Aufgabe des Projekts DIVI bestand darin, die bei Wechselwirkung mit Lichts auftretenden ultraschnellen Veränderungen in diesen Metamaterialien sichtbar werden zu lassen und zu steuern. „Schaut man sich um, so besteht sämtliche in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern sichtbare Materie aus Atomen in komplizierten Konfigurationen, verbunden durch Elektronen, die ebenfalls in komplexen Konfigurationen vorliegen, und das alles unterliegt ständiger Veränderung“, erklärt Baum. „Unser Ziel besteht letztlich darin, Veränderungen auf atomarer Ebene in Raum und Zeit sichtbar darzustellen und diese dann zu steuern.“

Wie die Elektronenmikroskopie ins Spiel kommt

Zur erforderlichen Realisierung der Raum-Zeit-Visualisierung nutzte das Team an der Universität Konstanz ein Elektronenmikroskop, gepaart mit einem Laser, der in Intervallen von weniger als einem Milliardstel einer Milliardstelsekunde, d. h. so schnell wie die Schwingungen des elektromagnetischen Felds einer Lichtwelle pulsieren kann. Ergebnis dessen ist das von Baum Attosekunden-Elektronenmikroskop getaufte Gerät. Die Gruppe führte eine Reihe bahnbrechender technischer Entwicklungen und im Folgenden mehrere dem Konzeptnachweis dienende Experimente durch, deren Ergebnisse in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, zum Beispiel im Jahr 2016 zweimal Science und später Nature Physics sowie Science Advances. „Wir haben mehrdimensionale filmartige Aufnahmen von den Lichtwellen angefertigt, wie sie um ein Metamaterialelement schwingen – das war wirklich fantastisch, das zum ersten Mal tatsächlich zu sehen“, merkt er an. „Wir sind nun extrem gespannt auf die praktischen Anwendungen, die uns die Zukunft bringen wird.“

Zeit und Raum

Die Forschung wurde vom Europäischen Forschungsrat unterstützt. „Ohne sie wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen, so einfach kann man das sagen“, ergänzt Baum. „Nur dank der prestigeträchtigen Finanzierung durch den ERC konnten wir die erforderliche Ausrüstung erwerben und das notwendige Spitzenpersonal aus aller Welt zusammenstellen, um unsere Ideen zu verwirklichen.“ Als Nächstes plant das Team, sein neues Attosekunden-Elektronenmikroskop zur Erforschung noch komplexerer Materialien und Metamaterialien zu nutzen. Ziel ist, mit dem Aufbau einer Bibliothek der Komponenten zu beginnen, welche die Funktionen herkömmlicher Schaltkreise nachbilden und so die Entwicklung von Lichtwellencomputern und neuartigen optischen Komponenten voranbringen können. Voraussetzung dafür ist die Beobachtung der Bewegungen von Elektronen und Atomen in Raum und Zeit. Oder wie Baum es ausdrückt: „Man kann nur steuern, was man auch messen kann.“

Schlüsselbegriffe

DIVI, Lichtwelle, Computer, Terahertz, Attosekunde, Elektron, Atom, Zeit, Raum, Metamaterial, Baum

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