Schnelle Taktraten mit topologischem Schutz

Sie werden immer schneller, leistungs­fähiger – und heißer. Seit einigen Jahren stagniert die Takt­rate von Computern, das heißt die Anzahl der möglichen Rechen­operationen pro Sekunde und Transistor, da die thermische Belastung zu groß wird. Physiker der Universitäten Regensburg, Marburg und Hiroshima sowie der Russischen Akademie der Wissen­schaften in Novo­sibirsk haben nun eine Möglichkeit entdeckt, die Takt­raten der Elektronik dennoch massiv zu erhöhen – und zwar ohne zusätzliche Wärme­entwicklung.

Das Team um Ulrich Höfer, Fach­bereich Physik der Universität Marburg, und Rupert Huber, Institut für experimentelle und angewandte Physik der Universität Regens­burg, nutzt mit der Licht­wellen-Elektronik das schnellste kontrollierbare Wechsel­feld, das es in der Natur gibt: die Träger­welle von Licht. Verwendet man dieses Wechsel­feld als Takt­geber, so sollte man Elektronik im Prinzip tausend­fach beschleunigen können – statt in Giga­hertz würde man Takt­raten in Tera- oder gar Peta­hertz messen.

Allerdings nur in der Theorie, denn dann würden die Elektronen auch häufiger an Kristall­atome stoßen, wodurch noch mehr Wärme erzeugt würde. Um dies zu verhindern, haben die Forscher tief in die Trick­kiste der modernen Physik gegriffen: Statt des üblichen Halbleiter­materials Silizium setzen sie topologische Isolatoren ein, deren ungewöhnliche Eigen­schaften erst seit wenigen Jahren bekannt sind. Auf der Ober­fläche dieser Materialien sollten alle Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, ihren Spin gleich ausrichten, während die Spins gegen­läufiger Elektronen in die gegen­sätzliche Richtung weisen. Würden Elektronen ihre Bewegungs­richtung nun durch Streuung ändern, so müsste auch ihr Spin umklappen. Da dies quanten­physikalisch nicht einfach möglich ist, streuen solche Elektronen selten und entwickeln damit auch kaum Wärme.

Nun haben die Forscher Licht­wellen-Elektronik erstmals mit topologischen Isolatoren kombiniert. Dafür haben sie Pulse aus der Regens­burger Hochfeld-Tera­hertz­quelle auf einen topologischen Isolator fokussiert und die Elektronen auf seiner Oberfläche beschleunigt. Die Beschleunigung tritt aber nur für den extrem kurzen Zeit­raum einer halben Licht­schwingung auf. Allein um diese Elektronen­bewegung zu beobachten, mussten die Physiker eine neue Mess­methode entwickeln. Den Schlüssel zum Erfolg brachte ein Verfahren, das seit Jahren weltweit führend vom Marburger Team vorangetrieben wurde: zeit­aufgelöste Photo­elektronen-Spektroskopie.

Während der Beschleunigung lösen die Wissenschaftler mit ultra­violetten Pulsen Elektronen aus der Oberfläche des topologischen Isolators aus und machen gewisser­maßen Moment­aufnahmen ihrer Geschwindigkeit. Aus solchen Schnapp­schüssen lassen sich schließlich ganze Zeit­lupen­filme zusammen­setzen, die zeigen, wie sich die Elektronen an der Ober­fläche des topologischen Isolators auf der Zeit­skala kürzer als eine einzige Licht­schwingung bewegen. „Absolut faszinierend“, findet Professor Höfer das Experiment, das seine zwei Mitarbeiter zusammen mit der Huber-Gruppe in Regens­burg aufgebaut haben, „man meint förmlich zu träumen, wenn man die Ergebnisse zum ersten Mal sieht, so eindeutig und doch verblüffend sind sie.“

Die Physiker stellen fest, dass sich die Elektronen ähnlich wie Teilchen benehmen, die in einem großen Beschleuniger nahe Licht­geschwindigkeit gebracht wurden. Noch wichtiger: Trotz der rasanten Beschleunigung funktioniert die theoretisch erwartete Kopplung zwischen Bewegungs­richtung und Spin so gut, dass sich die Elektronen über große Distanzen vollkommen ballistisch bewegen, ohne am Gitter zu streuen und damit Wärme zu erzeugen. „Das ist wie bei einer Billard­kugel, die geradeaus rollt, solange sie von keiner anderen Kugel abgelenkt wird – nur viel, viel schneller“, erklärt Huber und freut sich: „Topologische Licht­wellen-Elektronik ist schnell, verlust­frei und kompakt – und somit womöglich die Technologie der Zukunft.“

U. Regensburg / DE