Kieler Team entdeckt ein neues Phänomen in Graphen

Seit Jahren gilt Graphen als Hoffnungsträger für die Nanoelektronik – dank seiner außergewöhnlichen Leitfähigkeit, Flexibilität und Stabilität. Nun gehen die Ergebnisse von Forschenden vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) einen Schritt weiter. Jan-Philip Joost und Michael Bonitz zeigen erstmals: Lichtpulse steuern Elektronen gezielt an bestimmten Stellen im Material. Um die Bewegung und Wechselwirkungen der Elektronen zu untersuchen, simulierten sie die Effekte der Lichtpulse auf kleine Graphen-Cluster am Computer. Die Ergebnisse eröffnen völlig neue Ansätze für die Nanoelektronik.

Michael Bonitz und Jan-Philip Joost

Quelle: Christina Anders, U Kiel

Kurze Laserpulse funktionieren in diesen Systemen wie ultraschnelle Lichtschalter. Innerhalb von Femtosekunden schalten sie Elektronen an genau festgelegten Stellen ein und aus. Trifft ein Puls den Graphen-Cluster, sammeln sich die Elektronen an einem Rand. Ein zweiter Puls erzeugt Elektronen blitzschnell an eine andere Stelle. Die Forschenden dirigieren die Elektronen präzise – vergleichbar mit einem Lichtsignal, das ihnen vorgibt, wohin sie sich bewegen.

„Wir haben diese räumliche Selektivität in einem chemisch völlig homogenen Material entdeckt – Graphen besteht nur aus Kohlenstoff“, erklärt Bonitz. „Bisher war ein solcher Effekt nur von Molekülen bekannt, die aus verschiedenen Atomen aufgebaut sind und dadurch unterschiedliche Absorptionseigenschaften besitzen. In unseren Graphen-Clustern entsteht die Steuerung allein durch die elektronische Struktur und durch spezielle topologische Zustände. Selbst bei kleinen Störungen bleiben die Elektronenpositionen stabil, sodass die Steuerung zuverlässig funktioniert.“

Die Ergebnisse können einen entscheidenden Fortschritt für die Elektronik von morgen ermöglichen. Heute arbeiten Transistoren im Gigahertz-Bereich. Mit Laserpulsen geschaltete Graphen-Bauteile könnten im Petahertz-Bereich schalten – bis zu 10.000-mal schneller.

In Kommunikationssystemen ermöglichen präzise Elektronenwege schnelle Datenübertragung bei geringem Energieverbrauch. Das eröffnet neue Möglichkeiten für Hochleistungsrechner, KI-Chips und andere ultraschnelle Elektroniksysteme. Noch ungelöst ist derzeit, wie die angeregten Elektronen zuverlässig in Schaltkreise eingebettet werden können. „Wenn es gelingt, diese Prozesse in reale Bauteile zu übertragen, wäre das ein riesiger Sprung für die Nanoelektronik“, sagt Joost. [CAU Kiel / dre]