23.11.2018

Gesteuerte Elektronen in Graphen

Physiker legen Grundlage für lichtgesteuerte Transistoren.

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrol­lieren statt Spannungs­signalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektro­magnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünf­tige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissen­schaftler der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg FAU sind diesem Ziel nun einen Schritt näher­gekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultra­kurzen Laser­pulsen präzise zu steuern.

Abb.:Das treibende Laserfeld (rot) schüttelt Elektronen in Graphen auf ultrakurzen Zeitskalen (violett und blau). Ein zweiter Laserpuls (grün) kann diese Welle steuern und damit die Stromrichtung vorgeben. (Bild: C. Heide, FAU)

Bisher hat es sich als schwierig heraus­gestellt, Elektronen­ströme in Metallen zu steuern. Denn Metalle reflek­tieren Licht­strahlen, die Elektronen im Inneren können daher nicht durch die Lichtwelle beein­flusst werden. Die Physiker um Peter Hommel­hoff greifen daher auf Graphen zurück. Es ist so dünn, dass genug Licht einfällt, um Elektronen in Bewegung zu versetzen. Damit war es den den Forschern bereits in einer früheren Studie gelungen, mithilfe eines sehr kurzen Laser­pulses ein elektrisches Signal zu erzeugen und das auf einer Zeitskala von nur einer Femto­sekunde. Unter diesen extremen Zeitskalen verhalten sich Elektronen wie eine Welle. Ange­trieben vom Laser­puls gleitet die Elektronen­welle durch das Material.

In der aktuellen Studie sind die Forscher noch einen Schritt weiter­gegangen. Sie haben einen zweiten Laserpuls auf diese lichtge­triebene Welle gerichtet. Dieser zweite Puls ermöglicht es, die Elektronen­welle nun in zwei Dimen­sionen durch das Material gleiten zu lassen. Mithilfe des zweiten Laserpuls kann die Elektronen­welle abgelenkt, beschleunigt oder sogar ihre Richtung geändert werden. Abhängig vom exakten Zeitpunkt des zweiten Pulses, seiner Stärke und seiner Richtung, können somit Infor­mationen auf diese Welle über­tragen werden. „Stellen Sie sich die Elektronen­welle als Wasser­welle vor. Wasser­wellen können sich an einem Hindernis aufspalten und wenn sie am Ende des Hinder­nisses wieder zusammen­laufen inter­ferieren. Je nachdem, wie die beiden Teilwellen zueinander im Verhältnis stehen, können sie sich verstärken oder auslöschen. Mit dem zweiten Laser­puls können wir gezielt die einzelnen Teilwellen modi­fizieren und damit deren Inter­ferenz kontrol­lieren“, erklärt Christian Heide vom Lehrstuhl für Laser­physik.

„Generell ist es sehr schwierig, Quanten-Phänomene, wie hier die Wellen­eigenschaft der Elektronen, zu kontrol­lieren. Das liegt daran, dass es sehr schwer ist, so eine Elektronen­welle in einem Material aufrecht zu erhalten, da diese zum Beispiel mit anderen Elektronen streut und damit ihre Wellen­eigenschaft verliert. Typischerweise werden dafür Experimente bei extrem tiefen Tempera­turen durch­geführt. Wir können diese Experimente nun auch an Raum­temperatur durchführen, da wir die Elek­tronen über Laserpulse so schnell kontrollieren können, dass gar keine Zeit für Streu­prozesse mit anderen Elektronen ist. Daraus können wir viele neue physi­kalische Prozesse erforschen, die uns vorher nicht zugänglich waren", sagt Heide.

Damit sind die Wissen­schaftler der durch Licht­wellen gesteuerten Elek­tronik einen großen Schritt näher­gekommen. In den nächsten Jahren werden sie untersuchen, ob sich die Elektronen auch in anderen zweidimen­sionalen Materialien kontrol­lieren lassen. Heide: „Vielleicht können wir aber auch über Material­forschung die Eigen­schaften der Materialien so verändern, dass sich schon bald kleine licht­gesteuerte Tran­sistoren bauen lassen.“

FAU / JOL

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Photo
29.02.2024 • NachrichtForschung

Galaktische Welle

Radcliffe-Welle in der Milchstraße ist Indiz für geringe Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft.

Themen