Extrem schneller Lichtschalter

Am Konstanzer Lehrstuhl für Ultrakurzzeitphysik und Photonik ist es gelungen, die Bewegung einzelner Elektronen auf Attosekunden-Zeitskalen zu kontrollieren. Das elektrische Feld ultra­kurzer Licht­pulse legt dabei fest, wie sich die Elektronen zwischen zwei Nano­elektroden hin und her bewegen. Lang­fristiges Ziel ist, den Stromfluss in neuartigen Bau­elementen optisch und damit deutlich schneller zu steuern, als es die heutige Halbleiter­technik erlaubt.

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die mit einer Frequenz im Tera- und Petahertz­bereich oszilliert. Extrem kurze Lichtpulse, die nur noch einen einzigen Oszillations­zyklus umfassen, werden in dem Konstanzer Experiment auf zwei Elektroden fokussiert, die zueinander hinführen, sich jedoch nicht berühren. Die Lücke zwischen ihnen misst nur acht Nanometer. Durch die ultrakurzen Licht­pulse haben die Forscher erreicht, dass die einzelnen Elektronen im freien Raum über diese Lücke hinweg von der einen zur anderen Elektrode rasen. Die metallischen Nanostrukturen wurden mit Hilfe von Elektronen­strahl­lithographie hergestellt. Allerdings bewegt sich die „Auflösung“ der Strukturen selbst für diese Technik am Rande des derzeit Möglichen.

Die ultrakurzen optischen Pulse haben gerade mal die Länge einer einzelnen Lichtschwingung. In diesem Fall wird es relevant, ob die stärkste Halb­schwingung des Feldes ein positives oder negatives Vorzeichen hat. Damit lässt sich die Bewegungs­richtung der Elektronen verändern. Heute ist es möglich, über Transistoren elektrische Schaltkreise schon fast im Terahertz­bereich zu steuern. Die Idee hinter der Technik des Teams um Nachwuchs­gruppenleiter Daniele Brida und Alfred Leitenstorfer ist, die Elektronen mit Licht zehntausendmal schneller zu schalten – auf einer Zeitskala von etwa hundert Attosekunden.

Die Technologie für die Untersuchungen, ein hoch­gezüchtetes Laser­system, haben die Konstanzer Wissenschaftler selbst entwickelt und gebaut. Mit diesem Instrument lassen sich die extrem kurzen Pulse mit einer Dauer von nur einer einzigen Licht­schwingung erzeugen. Darüber hinaus kann man den zeitlichen Verlauf des elektrischen Feldes dieser Licht­schwingung genau einstellen. Dies ermöglicht letztlich die Entscheidung darüber, ob sich das Elektron vom rechten Kontakt zum linken bewegt oder umgekehrt.

U. Konstanz / DE