Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanophysik

Energiesparen mit einem Tüpfelchen Silber

München, 15.05.2017

In Zukunft können außer Elektronen auch Lichtteilchen Computer steuern. Als Lichtleiterbahnen testen Forscher Ketten aus Goldnanopartikeln. LMU-Forscher zeigen, wie ein Tüpfelchen Silber beim Rechnen mit Licht enorm Energie sparen könnte.

Der Vermittler in der Mitte: ein Silber- zwischen zwei Gold-Nanopartikeln sorgt für die ultraschnelle und nahezu verlustfreie Weitergabe der Energie. Abbildung: Liedl/Hohmann (NIM)

Heutige Rechner sind schnell und klein wie nie zuvor. So wird die neueste Transistorengeneration Strukturgrößen von nur zehn Nanometer aufweisen. Um in diesen Dimensionen noch schneller und auch energiesparender zu werden, schalten und walten im Computer vermutlich bald Lichtteilchen statt Elektronen. Der Fachbegriff lautet „Optischer Computer“.

Glasfasernetze nutzen schon heute Licht, um Daten schnell und möglichst verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Die dünnsten Kabel besitzen jedoch Durchmesser im Mikrometer-Bereich, denn die Lichtwellen mit Wellenlängen um einen Mikrometer müssen ungehindert schwingen können. Für die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip ist daher ein komplett anderes System nötig.

Eine Möglichkeit wäre, Lichtsignale über sogenannte Plasmonenschwingungen weiterzuleiten. Dabei regt ein Lichtteilchen (Photon) die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Diese Wellenbewegung pflanzt sich mit immerhin rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit über eine Kette von Nanopartikeln fort. Somit sind zwei Ziele erreicht: Nanometer-Dimension und enorme Geschwindigkeit. Bleibt der Energieverbrauch. Und der wäre im Fall einer reinen Gold-Kette durch starke Wärmeentwicklung ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.

Eine Art Vermittler

Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissenschaftler im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), beschreibt mit Kollegen von der Ohio University jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel genau in der Mitte.

Das Silber dient hier als eine Art Vermittler zwischen den Goldpartikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Und so „umfließt“ die Energie dieses Partikel lediglich. „Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die sogenannten Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel entstehen“, erklärt Tim Liedl. „So kann die Energie fast verlustfrei weitergereicht werden und das auf der Femtosekundenskala.“

Entscheidende Voraussetzung für die Versuche war, dass Tim Liedl und seine Kollegen Spezialisten im punktgenauen Platzieren von Nanostrukturen sind. Erst die dazu angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermöglicht es, verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art nutzten herkömmliche Lithographietechniken, die insbesondere für verschiedenartige Metalle nebeneinander nicht die notwendige räumliche Präzision liefern.

Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektrodynamiksimulationen konnte Alexander Govorov, Professor für Theoretische Physik an der Ohio University, Athens, USA, und Koautor der Arbeit, auch ein einfaches quantenmechanisches Modell aufstellen: „In diesem Modell stimmen das klassische und das quantenmechanische Bild sehr gut überein, was es als mögliches Beispiel in Unterrichtsbüchern qualifiziert.“ (NIM/LMU)
Nature Physics 2017