Blitzschneller Schalter für Elektronenwellen
Ermutigende Ergebnisse für ultraschnelle Elektronik auf Basis von Oberflächenplasmonen.
Der charakteristische Glanz von Metallen entsteht durch Elektronen, die sich im Materialinneren frei bewegen können und einfallendes Licht reflektieren. Ähnlich Wasserwellen auf einem Teich können auch auf der Oberfläche dieses Elektronensees Wellen entstehen, die Oberflächenplasmonen. Anstatt eines Steins, den man ins Wasser wirft, benutzt man im Labor Licht, um Oberflächenplasmonen zu erzeugen. Wird Licht auf eine scharfe Metallspitze von der Größe weniger Nanometer gebündelt, so breiten sich ausgehend von dieser Spitze winzige kreisförmige Oberflächenwellen aus. Diese Miniaturwellen könnten in künftigen kompakten elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen, um digitale Information blitzschnell zu transportieren. Allerdings gab es bisher keine Möglichkeit, solche Oberflächenwellen ultraschnell ein- und auszuschalten.
Abb.: Wellen im Plasma des schwarzen Phosphors (unten) breiten sich ausgehend vom den Punkt ihrer Anregung aus und versetzen auch das umgebende Siliziumdioxid (oben) in Schwingung. (Bild: F. Mooshammer, U. Regensburg)
Einem Forscherteam um Rupert Huber von der Uni Regensburg ist es in Kooperation mit Kollegen aus Pisa jetzt erstmals gelungen, Wellen im Elektronensee tatsächlich ultraschnell ein- und auszuschalten und damit eine wichtige Grundlage für künftige Plasmaelektronik zu legen. Die Forscher verwendeten hierfür allerdings kein Metall, auf welchem Elektronenwellen stets präsent sind. Vielmehr kam eine ausgeklügelte Schichtstruktur basierend auf einem Halbleiter aus schwarzem Phosphor zum Einsatz. Durch Einstrahlen eines intensiven Lichtblitzes können darin frei bewegliche Elektronen erst erzeugt werden. Ohne diese sind keine Oberflächenwellen vorhanden und die Struktur ist ausgeschaltet. Sobald allerdings der erste Laserimpuls die frei beweglichen Elektronen erzeugt hat, können mit einem darauffolgenden Impuls die Oberflächenplasmonen von der Spitze aus losgeschickt werden.
Um zu testen, wie schnell dieser Schaltvorgang werden kann, aktivierte das Team Oberflächenplasmonen mit ultrakurzen Lichtblitzen mit Zeitdauern von nur wenigen Femtosekunden. Mit einem weltweit einzigartigen superschnellen und hochauflösenden Mikroskop verfolgten die Forscher anschließend direkt in extremer Zeitlupe, wie sich die Plasmonwelle ausbreitet. Dabei war klar zu erkennen, dass die Schaltzeiten auf der Femtosekunden-
Diese Ergebnisse sind äußerst ermutigend für künftige ultraschnelle Elektronik auf Basis von Oberflächenplasmonen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher erste funktionsfähige plasmonische Bauelemente testen – ab sofort auf der Femtosekunden-
U. Regensburg / RK
