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Wundermaterial Graphen Elektronenströme innerhalb eines Sekundenbruchteils lenken

| Redakteur: Rebecca Vogt

Die Ansprüche an die Schnelligkeit, mit der Daten übertragen werden, steigen fortlaufend. Eine der wichtigsten Komponenten in der modernen Elektronik ist hierfür die Stromregelung. Erlanger Forscher konnten nun im Material Graphen Elektronenströme innerhalb einer Femtosekunde in die anvisierte Richtung lenken – was dem millionsten Teil einer Milliardstelsekunde entspricht.

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Schematische Darstellung des Experiments zur ultraschnellen Stromerzeugung: Wenn die Lichtwelle (rot) auf das Graphen trifft (Wabengitter), wird augenblicklich ein elektronischer Strom erzeugt.
Schematische Darstellung des Experiments zur ultraschnellen Stromerzeugung: Wenn die Lichtwelle (rot) auf das Graphen trifft (Wabengitter), wird augenblicklich ein elektronischer Strom erzeugt.
(Bild: FAU/Takuya Higuchi)

Die Wissenschaftler der Lehrstühle für Laserphysik und Angewandte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind mit ihrer Forschungsarbeit in eine ganz neue Dimension der schnellen Stromregelung vorgedrungen. Ihr Trick dabei: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Lichtpulses angetrieben. So gelang es den Forschern, den Vorgang um mehr als das Tausendfache im Vergleich zu den schnellsten heutigen Transistoren zu beschleunigen, wie die FAU mitteilt.

In Gasen, isolierenden Materialien sowie Halbleitern war es Wissenschaftlern bereits gelungen, mithilfe von Lichtwellen Elektronen zu kontrollieren und so prinzipiell Ströme zu steuern. Bei Metallen hingegen funktionierte dieses Prinzip bisher nicht. Da Metall normalerweise Lichtstrahlen reflektiert, kann kein Licht eindringen, um die Elektronen im Inneren anzuregen.

Elektronen werden durch das Material geschleudert

Um dieses Problem zu umgehen, haben die Physiker der FAU in den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Peter Hommelhoff und Prof. Dr. Heiko Weber auf Graphen zurückgegriffen. Von vielen wird Graphen als Wundermaterial bezeichnet. Es handelt sich um ein Halbmetall, das aus nur einer einzelnen Lage Kohlenstoff besteht. Das Material ist so dünn, dass genug Licht einfällt, um die Elektronen in Bewegung zu versetzen.

Die Wissenschaftler feuerten für ihr Experiment extrem kurze Laserpulse in speziell definierten Wellenformen auf das Graphen. Treffen diese Lichtwellen auf die Elektronen im Graphen, werden diese durch das Material geschleudert – wie nach einem Peitschenhieb.

„Bei intensiven optischen Feldern wird innerhalb eines Bruchteils eines optischen Zyklus ein Strom erzeugt – das entspricht einer halben Femtosekunde. Überraschend war, dass trotz dieser enormen Kräfte die Quantenmechanik wieder einmal die entscheidende Rolle spielt“, erklärt Dr. Takuya Higuchi vom Lehrstuhl für Laserphysik.

Zwei Wege führen zum Ziel

Die Forscher fanden heraus, dass der Strom im Graphen auf komplizierten quantenmechanischen Vorgängen basiert. Die Elektronen gelangen von ihrem Ausgangszustand zum angeregten Zustand über zwei Wege – analog zu zwei Straßen, die zum selben Ziel führen. Ähnlich einer Welle können sich die Elektronen an der Gabelung spalten und beide Straßen gleichzeitig entlangfließen. Das Ergebnis: Je nachdem mit welcher relativen Phase die Elektronen am Ziel aufeinandertreffen, ist der Strom sehr groß oder überhaupt nicht vorhanden.

„Das ist vergleichbar einer Wasserwelle: Stellen Sie sich vor, eine Welle trifft auf eine Hauswand. Dann wird sie gespalten und fließt rechts und links am Gebäude vorbei. Am Ende des Gebäudes treffen beide Teile wieder aufeinander. Sind die Teilwellen dann beide auf ihrem Gipfel, ergibt sich eine sehr große Welle, es fließt Strom. Ist eine Teilwelle auf dem Höchststand, die andere an ihrem Tiefpunkt, gleichen sich die beiden aus, es gibt keine Welle – und keinen Strom“, erklärt Prof. Dr. Peter Hommelhoff vom Lehrstuhl für Laserphysik. „Wir können damit über die Lichtwellen regulieren, wie sich die Elektronen bewegen und wie viel Strom erzeugt wird.“

Elektronik und Optik verbinden

Die Ergebnisse seien ein weiterer wichtiger Schritt, um die beiden Zweige der modernen Technik – Elektronik und Optik – auf eine Plattform zu bringen. Zukünftig lasse sich das Verfahren eventuell auf ultraschnelle Elektronik übertragen, die mit optischen Frequenzen kontrolliert werden könne.

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