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Ultrakurze Laserimpulse Petahertz-Quanten-Transistor mit Graphen und ultrakurzen Laserpulsen

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Forscher der University of Arizona haben erfolgreich gezeigt, wie Elektronen mithilfe eines quantenmechanischen Effektes nahezu unmittelbar eine physische Barriere überwinden können. Diese Entwicklung könnte die Grenzen elektronischer Schaltgeschwindigkeiten drastisch erweitern.

Mohammed Hassan (rechts), außerordentlicher Professor für Physik und Optik, und Mohamed Sennary, Doktorand für Optik und Physik, halten den Transistor in den Händen, den sie für die Entwicklung eines Transistors mit Petahertz-Geschwindigkeit verwendet haben.(Bild: Universität Arizona)
Mohammed Hassan (rechts), außerordentlicher Professor für Physik und Optik, und Mohamed Sennary, Doktorand für Optik und Physik, halten den Transistor in den Händen, den sie für die Entwicklung eines Transistors mit Petahertz-Geschwindigkeit verwendet haben.
(Bild: Universität Arizona)

Ein internationales Wissenschaftlerteam um die University of Arizona konnte auf Basis modifizierten Graphens und ultrakurzer Laserpulse erstmals einen funktionierenden Quanten-Transistor entwickeln, der Schaltfrequenzen im Petahertz-Bereich (1015 Hz) erreicht. An der Forschung waren neben der University of Arizona auch Experten des California Institute of Technology (Jet Propulsion Laboratory) und der Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligt.

Herzstück des Experiments war ein kommerziell erhältlicher Graphen-Phototransistor. Dieser wird ergänzt um eine spezielle Siliziumschicht. Bei Beleuchtung mit ultrakurzen Laserimpulsen im Bereich von nur 638 Attosekunden (eine Attosekunde entspricht einer Trillionstelsekunde (10-18) Sekunden) entstehen durch Quanten-Tunneleffekte elektrische Ströme. Normalerweise heben sich solche Ströme in Graphen aufgrund seiner symmetrischen Struktur gegenseitig auf. Dank präzise gesteuerter optischer Anregung konnten die Forscher diese Symmetrie überwinden, die Bewegung einzelner Elektronen in Echtzeit erfassen und extrem kurze Schaltzeiten realisieren. Das Resultat übertrifft deutlich bisherige Technologien auf Basis von Gigahertz- oder Terahertz-Schaltungen.

Besondere Eigenschaften und Rahmenbedingungen

- Materialbasis: Graphen kombiniert mit einer zusätzlichen Siliziumschicht
- Laserdauer: 638 Attosekunden (ultrakurzpulsig)
- Schaltgeschwindigkeit: Petahertz-Bereich – über 1.000 mal schneller als heutige Chips
- Umgebungsbedingungen: Experimente erfolgten unter Normalbedingungen (Raumtemperatur und Atmosphärendruck)
- Physikalischer Kernprozess: Präzise gesteuerter quantenmechanischer Elektronen-Tunnelprozess

Eine Perspektive für die Industrie

Der jetzt demonstrierte Petahertz-Quanten-Transistor eröffnet vielfältige Anwendungen in Bereichen, die hohe Rechengeschwindigkeiten erfordern. Beispiele sind hochperformante KI-Systeme, optoelektronische Komponenten und integrierte Schaltungen, medizinische Technologien oder der Raumfahrtforschung. Ein beachtenswerter Pluspunkt ist, dass dieser Petahertz-Transistor im Gegensatz zu vielen Quantenexperimenten, die extreme Rahmenbedingungen bezüglich Temperatur oder Druck voraussetzen, auch bei Raumtemperatur und normalen atmosphärischen Druckverhältnissen funktioniert. Dadurch wird die Integration in kommerzielle Anwendungsszenarien im Bereich der Mikroelektronik und optoelektronischer Systeme deutlich erleichtert.

„Der Entwicklungssprung in der Software war enorm, doch die Hardware konnte damit kaum Schritt halten. Unsere Entdeckung der ultraschnellen Quanten-Tunnelprozesse könnte helfen, Hardware zu entwickeln, die zukünftig dem rasanten Fortschritt der Software-Technologien entspricht“, sagt Mohammed Hassan von der Universität Arizona.

Kommerzialisierung als nächster Schritt

Die Forscher arbeiten aktuell an der Patentanmeldung und streben eine rasche Integration des Quanten-Transistors in Standardtechnologien an. Ziel ist eine baldige kommerzielle Nutzung und die gezielte Verfügbarkeit für optoelektronische Entwickler. Diese grundlegende Entwicklung könnte neue Hardwarekonzepte vorantreiben und die optoelektronische Industrie nachhaltig verändern. (heh)

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