03.05.2018

Schneller rechnen mit Pseudospins

Valleytronics – Lichtpulse transportieren Elektronen zwischen Energietälern.

Kurze Lichtblitze eignen sich dazu, den raschen Wechsel zwischen zwei Energie­zuständen in einem Halbleiter zu kontrol­lieren. Damit ist eine Voraus­setzung erfüllt, um auto­matische Rechen­operationen auszuführen, die erheblich schneller vonstatten­gehen als mit herkömm­licher Elektronik. Bisher wurde der Ruf nach verbesserten Leistungen mit höheren Taktraten und einer fort­schreitenden Minia­turisierung der Bauteile beantwortet. „Eine weitere Verkleinerung und Beschleu­nigung stößt jedoch an funda­mentale Grenzen“, sagt Peter Hawkins von der Univer­sität Marburg.

Abb.: Die Energielandschaft einer Monolage Wolframdiselenids verfügt über zwei inäquivalente Täler. Elektronen werden von einem in das andere Tal beschleunigt. (Bild: F. Langer)

„Einen Ausweg eröffnet die Kontrolle von Elektronen­bewegung durch das elek­trische Feld einer Lichtwelle“, führt Fabian Langer von der Univer­sität Regens­burg aus. Extrem kurze Licht­blitze sind in der Lage, die Bewegung von Elek­tronen auf einer ultra-kurzen Zeitskala zu mani­pulieren und zu steuern. Dies erlaubt eine millionen­fach schnel­lere Steuerung von elek­trischen Strömen, mit der sich die Beschrän­kungen konven­tioneller Elektronik überwinden lassen. Das Team um Stephan W. Koch von der Universität Marburg, Mackillo Kira aus Ann Arbor sowie Kollegen von der Universität Regens­burg ging nun daran, einen solchen Prozess in dem Halbleiter­material Wolfram­diselenid zu untersuchen. Dieses besteht aus einer einzigen Schicht von Wolframatomen, die auf beiden Seiten von Selenatomen umgeben ist.

Ein schwacher Licht­puls genügt, um Elektronen in diesem hauch­dünnen Halbleiter zu zwei unter­schiedlichen, voneinander getrennten Energie­zuständen anzuregen. Wählt man die Einstellung der Licht­quelle geschickt, so lassen sich diese beiden Täler getrennt von­einander anregen, wobei Elektronen gezielt nur in einem der beiden Täler entstehen. „Die beiden Täler unter­scheiden sich durch eine quanten­physikalische Eigenschaft, ihren Pseudospin“, erläutert Ulrich Huttner von der Univer­sität Marburg. Um diese Phänomene irgendwann zum Rechnen verwenden zu können, muss man den Wechsel von einem Zustand zum anderen unter Kontrolle bringen. Das ist den Physikern jetzt gelungen. Zu diesem Zweck bestrahl­ten die Forscher das hauch­dünne Material zunächst mit kurzen, starken Lichtpulsen, um Elektronen zwischen den beiden Energie­tälern zu transpor­tieren.

Dabei kommt es zu kurzen Licht­blitzen, die Rück­schlüsse darauf zulassen, in welchem Tal sich das Elektron befindet. Für die Analyse berechneten die Physiker einer­seits die Eigen­schaften des Halbleiters und griffen anderer­seits auf Modelle der Quanten­mechanik zurück, um die Prozesse im Inneren des Materials zu beschreiben. Die Unter­suchungen bestätigten, dass die auftre­tenden Effekte tatsächlich auf einer Änderung des Pseudo­spins beruhen, die durch ein sehr starkes Licht­feld verursacht wird. „Wir zeigen mit unseren Unter­suchungen erstmals, dass man den Pseudospin in kürzesten Zeitinter­vallen durch Licht­wellen ändern kann“, berichten die Forscher. So könnte solch ein Schalt-Prozess ein wichtiger Baustein im Gebiet der Licht­wellen-Elektronik der Zukunft sein.

U. Marburg / JOL

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