Lichtschalter für schnelle Elektronik

Extrem kurze, intensive Laserpulse verwandeln Quarzglas binnen Billiardstel von Sekunden vom Isolator zum Leiter und zurück

5. Dezember 2012

Halbleiterbauelemente bilden das Rückgrat elektronischer Geräte jeglicher Art. Die Geschwindigkeit, mit der solche Bauteile elektrische Ströme an- und ausschalten können, ist eine der entscheidenden Größen beispielsweise für die Leistungsfähigkeit von Computern. Die derzeit schnellsten, auf Silizium basierenden Transistoren arbeiten mit Taktraten von einigen Milliarden Schaltungen pro Sekunde – ein einzelner Schaltprozess dauert mithin etwa eine Zehnmilliardstel Sekunde. Einem Forscherteam um Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Leiter des Labors für Attosekundenphysik, ist es nun gelungen, einen Isolator mehr als zehntausend Mal so schnell zwischen dem leitenden und nicht-leitenden Zustand zu schalten. Möglich wurde dies mit sehr intensiven, ultrakurzen Laserpulsen.

Schneller Schalter: Ein kleines Prisma, das auf zwei Seiten mit Goldelektroden bedampft ist, wird zunächst mit einem starken Femtosekundenpuls aus nur wenigen Wellenzügen bestrahlt, der durch einen etwa 50 Nanometer breiten Spalt zwischen den Elektroden in das Prisma eindringt und die Beweglichkeit der Elektronen erhöht. Die Schwingungen eines zweiten, wesentlich schwächeren Pulses schieben die Elektronen auf die Elektroden, was zu einem messbaren elektrischen Strom führt. Wird die Verzögerung zwischen den beiden Pulsen um genau eine halbe Wellenperiode des Laserfeldes (etwa 1,2 Femtosekunden) verändert, dann kehrt der elektrische Strom seine Richtung um. Das ist ein Hinweis darauf, dass die „Mobilisierung“ der Elektronen innerhalb eines Zeitfensters von einer Femtosekunde erfolgt.

Halbleiter verdanken ihren Namen einer besonderen Eigenschaft, elektrischen Strom nur unter bestimmten Umständen zu leiten. Im Normalzustand verhalten sie sich wie Isolatoren, leiten Strom also nicht. Wenn man an sie aber eine kleine elektrische Spannung anlegt, werden sie zum Leiter. Ursache hierfür das elektrische Feld. Es führt den Elektronen, die im Normalzustand an ihre Atome gebunden sind, Energie zu und macht sie beweglich. Nun können sie einer von außen angelegten Spannung folgen und bilden einen elektrischen Strom.

Durch schnelles An- und Ausschalten der äußeren Spannung lässt sich somit in einem Halbleiter ein elektrischer Stromfluss schalten. In Isolatoren dagegen sind die Elektronen so fest an die Atome gebunden, dass dies normalerweise nicht möglich ist – jedenfalls bis jetzt.

Ein Forscherteam um Agustin Schiffrin am Max-Planck-Institut für Quantenoptik bestrahlte den Isolator Quarzglas mit extrem kurzen Laserpulsen und erzeugte damit im Innern des Materials lokal so hohe elektrische Spannungen, dass die ursprünglich an die Atome gebundenen (und daran festgehaltenen) Elektronen mobilisiert wurden und einen Strom bildeten.

Ultrakurze Laserpulse verwandeln einen Isolator in einen Leiter

Das Quarzglas besaß die Form eines kleinen Prismas mit einer sehr scharfkantigen Spitze, das die Forscher auf zwei Seiten mit Goldkontakten bedampft hatten. Diese dienten als Elektroden, um den im Glas durch das Lichtfeld erzeugten Strom in einer kleinen Lücke an der Spitze des Prismas zu messen. Die wesentliche Errungenschaft, die das Experiment erst möglich machte, besteht darin, die Laserpulse extrem kurz und intensiv zu machen. Sie waren etwa vier Femtosekunden lang (eine Femtosekunde enstpricht einer Billiardstel Sekunde oder einem Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde) und bestanden nur aus etwa eineinhalb Schwingungen der Lichtwelle. „Wenn die Pulse länger wären, würden sie in dem Material so viel Energie deponieren, dass es zerstört würde“, erklärt der am Experiment beteiligte Doktorand Tim Paasch-Colberg.

Ein Film des Schaltprozesses: Ein nanometrisch dünner Film aus Quarzglas (schwarzer Rahmen in der Bildmitte) wird mit intensiven Femtosekunden-Pulsen (rot) aus wenigen Wellenzügen bestrahlt. Die starken Felder eines Pulses ändern die elektronischen Zustände in dem Glas, und zwar mit jeder Periode der Schwingung. Diese schnellen Änderungen lassen sich in Echtzeit mit einer Serie von Schnappschüssen verfolgen. Dabei „durchleuchten“ Attokunden-Lichtblitze (blau) den Film zu verschiedenen Verzögerungszeiten, bezogen auf den Anregungspuls. Aus diesen Momentaufnahmen lassen sich die durch das Lichtfeld hervorgerufenen Änderungen wie in einem Zeitlupenfilm rekonstruieren.

Licht besteht aus einem schwingenden elektrischen und magnetischen Feld. Ein extrem kurzer und intensiver Puls erzeugt auf der Größenskala beispielsweise der Einheitszelle des Quartz-Kristallgitters eine Spannung von ein bis zwei Volt. Das erscheint wenig, doch hochgerechnet auf unsere Makrowelt entspricht dies einer Feldstärke von mehr als zehn Milliarden Volt pro Meter – hunderttausend Mal mehr als in einem Blitz.

In ihrem Experiment wiesen die Garchinger Physiker nach, dass die Elektronen stets von dem elektrischen Feld nur einer halben Schwingung des Laserlichts freigesetzt wurden. Das bedeutet, dass der Isolator innerhalb von nicht einmal einer Femtosekunde zum Leiter wird. „Diese Messungen lassen aber die Frage offen, ob die Leitfähigkeit genauso schnell wieder abgeschaltet werden kann“, sagt Doktorand Tim Paasch-Colberg. Erst diese Eigenschaft macht ein Bauelement zu einem Schalter, mit dem sich elektrische Signale steuern und verarbeiten lassen.

Mit Attosekunden-Pulsen lässt sich der Prozess in Zeitlupe filmen

Die Frage, wie schnell sich die Leitfähigkeit abstellen lässt, beantwortete ein Forscherteam um Martin Schultze in einem zweiten Experiment. Wieder wandelten die Physiker das Quarzglas mit einem ultrakurzen Laserpuls vom Isolator zum Leiter um. Dann schossen sie mit unterschiedlicher Verzögerung extrem kurzwellige UV-Laserpulse von nur wenigen Attosekunden Dauer (eine Attosekunde entspricht 10-18 Sekunden oder einem Milliardstel von einem Milliardstel einer Sekunde) hinterher und registrierten auf der Rückseite des Quarzglases, wie stark diese jeweils von dem Material absorbiert werden. Die Absorptionsstärke hängt nämlich davon ab, in welchem der beiden Zustände – Isolator oder Leiter – sich das Material befindet. „Das ist so, als würden wir einen Vorgang mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufnehmen und anschließend in Superzeitlupe studieren“, verdeutlicht Elisabeth Bothschafter, Doktorandin an diesem zweiten Experiment, die Technik.

Auf diese Weise wiesen die Forscher nach, dass die Veränderung des Isolators durch das starke Lichtfeld auch wieder rückgängig gemacht werden kann, und das auf der Zeitskala von wenigen Femtosekunden. Der Wechsel vom Isolator zum Leiter und wieder zurück lässt sich also beliebig wiederholen und ist somit reversibel. „Es ist für uns eine große Überraschung, dass grundlegende Eigenschaften von Stoffen mit der Geschwindigkeit von Lichtfrequenzen verändert werden können“, sagt Martin Schultze.

Ob Quarzglas als lichtschneller Schalter eingesetzt werden kann, müssen weitere Entwicklungen zeigen. So sind die hierfür nötigen intensiven Ultrakurzzeit-Laser derzeit noch viel zu groß. „Wir hoffen, dass diese Resultate viele andere Labore und Gruppen weltweit dazu motivieren, mit uns zusammen weiterführende Untersuchungen durchzuführen“, sagt Ferenc Krausz. „Wir wollen die Realisierbarkeit der vielversprechenden Perspektive, elektronische Schaltungen auf Lichtfrequenzen zu beschleunigen, so zügig wie möglich zu erkunden.“

TB/PH

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