Ludwig-Maximilians-Universität München
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Attosekundenphysik

Signalverarbeitung mit Lichtfrequenzen

München, 13.03.2014

Licht als Strom- und Datenschalter der Zukunft: LMU-Physiker Ferenc Krausz beschreibt die Zukunft der Informationstechnologie. 

In Zukunft könnten Lichtwellen auf einen Chip treffen, mit dessen Hilfe dann wiederum Strom (grün) mit den Frequenzen der Lichtwellen geschaltet wird (bis zu Petahertz, also 1000 Billionen Schwingungen pro Sekunde). (Bild: Christian Hackenberger)
In Zukunft könnten Lichtwellen auf einen Chip treffen, mit dessen Hilfe dann wiederum Strom (grün) mit den Frequenzen der Lichtwellen geschaltet wird (bis zu Petahertz, also 1000 Billionen Schwingungen pro Sekunde). (Bild: Christian Hackenberger)

Licht könnte die heutige Elektronik um das Hunderttausendfache beschleunigen. Diese Vision beschreiben Professor Ferenc Krausz, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und sein Kollege Professor Mark Stockman von der Georgia State University in Atlanta in einem Übersichtsartikel im Fachmagazin Nature Photonics. In ihrem Szenario verwendet man die elektrischen Felder von Laser-Lichtwellen, um den Fluss von Elektronen in Halbleitermaterialien zu kontrollieren. Das würde bedeuten, dass man künftig elektronische Schaltkreise mit Lichtfrequenzen schalten könnte.

Licht könnte der Strom- und Datenschalter der Zukunft sein. Der Gedanke liegt nahe, denn die elektromagnetischen Felder des Lichts beeinflussen Elektronen. Elektronen sind der Stoff aus dem unser Strom besteht. Sie sind auch Träger von Daten und damit für die Informationstechnologie essentiell. Könnte man die Elektronen mit Licht kontrollieren, würde das eine neue Ära in der Technik einläuten: die Lichtwellen-gesteuerte Elektronik. Mit ihr wären rund eine Miliarde Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde denkbar. Denn etwa so oft schwingt eine Lichtwelle in einer Sekunde. Voraussetzung, dass ein Strom- und Datenschalter aus Licht eines Tages Realität wird, ist eine perfekte Kontrolle über Lichtwellen.

Beschleunigt um den Faktor 100.000

Über eine erste Nutzung von Licht als Stromschalter berichtet ein Forscherteam um Ferenc Krausz, Mark Stockman und Vadym Apalkov in derselben Ausgabe von Nature Photonics. Der Strom, den das elektrische Feld eines ultrakurzen Lichtpulses in einem Isolator (Siliziumoxid) generiert, liefert direkte Information über die Wellenform des Lichtpulses.

Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Detektors, der Lichtwellen sichtbar macht, ähnlich wie Oszillographen Mikrowellen darstellen. Die Attosekundenphysik ist somit auf dem Weg, die Festkörper-Elektronik zumindest für die Messtechnik bis zu Lichtfrequenzen zu beschleunigen. Ob sich auch die Signalverarbeitung ähnlich beschleunigen lassen wird, ist heute noch völlig offen. „Unsere Vision ist ein Chip, mit dessen Hilfe wir Strom mit dem elektrischen Feld von Licht schalten können. Das würde bedeuten, dass man die heutige digitale Signalverarbeitung um den Faktor 100.000 beschleunigt. Schneller geht es nicht mehr“, erklärt Ferenc Krausz.

Noch sind die Experimente Grundlagenforschung. Doch mit ihren Erkenntnissen haben die Wissenschaftler die Grenzen der heutigen Elektronik und Photonik ein Stück aufgeweicht. Der Weg hin zu einer lichtbasierten und damit weitaus schnelleren und leistungsfähigeren Elektronik scheint geebnet.
(Nature Photonics)                                          Thorsten Naeser

  • Zur Meldung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik