100.000 Mal schneller als die Elektronik von heute

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TU München

Eine einzige Schwingung

Das Lichtfeld führte dabei nur eine einzige starke Schwingung aus, also je einen großen „Ausschlag“ der Kraft, die dabei auf die Elektronen einwirkt, nach links und rechts. Die präzise Messung des zeitlichen Ablaufs des Lichtfeldes nach dessen Durchlauf durch die dünne Glasscheibe gewährt nun erstmals direkte Einblicke in die Attosekunden-schnelle Elektronenbewegungen, die Licht in einem Festkörper verursacht.

Mit ihrer neuen Messtechnik beobachteten die Wissenschaftler, dass die Elektronen geringfügig, um einige zehn Attosekunden, zeitversetzt auf das einfallende Lichtfeld reagierten. Diese zeitversetzte Reaktion bestimmt den Energietransfer zwischen Licht und Materie.

Die Messung dieses Energie-Austausches innerhalb von einem Lichtzyklus erlaubt erstmals die Optimierung von Licht-Materie Wechselwirkungen für die ultimativ schnelle Signalverarbeitung. Je besser der reversible Austausch und je kleiner die Energie ist, die nach dem Schaltvorgang im Medium zurückgelassen wird, umso besser stehen die Chancen, die Wechselwirkung für künftige, lichtfeldgesteuerte integrierte Elektronik zu nutzen.

Kühle Beziehung zwischen Glas und Licht

Um die beobachteten Phänomene besser zu verstehen und die bestmöglichen Parameter zu identifizieren, halfen Wissenschaftler des Center for Computational Sciences der Universität Tsukuba mit neu entwickelten Simulationsmethoden. Die Theoretiker nutzen dafür die Rechenleistung des K-Computers, dem derzeit viertschnellsten Superrechner der Welt. Mit ihm gelang es, die Elektronenbewegungen im Festkörper mit bisher unerreichter Genauigkeit zu berechnen.

Durch die Kontrolle der Stärke des Lichtfeldes gelang es den Forschern in Garching, diesen Energie-Austausch tatsächlich in diese Richtung zu optimieren. Bei bestimmten Feldstärken nahm der Festkörper erhebliche Energie in der ersten Hälfte des Lichtpulses auf, die er in der zweiten Hälfte des Pulses beinahe vollständig dem Lichtfeld zurückgab.

Diese Erkenntnis liefert den wichtigen Hinweis, dass ein potentielles Schaltmedium für zukünftige lichtgesteuerte Elektronik nicht überhitzt. Die etwas „kühle“ Beziehung zwischen Glas und Licht eröffnet so möglicherweise den Weg zu einer dramatischen Beschleunigung der elektronischen Signal- und Datenverarbeitung.

Originalveröffentlichung: A. Sommer et al.: "Attosecond nonlinear polarization and light-matter energy transfer in solids", Nature; DOI: 10.1038/nature17650

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