Transistoren am Speedlimit

Mikroelektronik. Dabei ist die Grenze der Miniaturisierung fix. Kleiner als ein Atom kann ein Transistor nicht schrumpfen. Beim Tempo sieht die Sache anders aus. Die Lichtgeschwindigkeit markiert wohl das Ende aller kosmischen Beschleunigungsbemühungen, auch wenn „spukhafte Fernwirkungen“ in der Quantenwelt unter bestimmten Voraussetzungen sogar Gleichzeitigkeit versprechen. Beides ist aber für die Signalübertragung in Mikrochips nicht von Relevanz. Deshalb loteten Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universitäten Wien und Graz die tatsächlichen – wenn auch nicht praktikablen – Höchstgeschwindigkeiten aus.

Und die hängen letztlich von der Taktfrequenz der Transistoren ab. Zum Vergleich: Die schnellsten mechanischen Relais schaffen etwa tausend Schaltvorgänge pro Sekunde, aktuelle Mikroprozessoren mehr als das Millionenfache.

Hochfrequentes Licht als Geschwindigkeits-Booster

Steigert man nun die Schaltfrequenz immer weiter, landet man zwangsläufig beim Licht. Das hebt etwa in der Optoelektronik – gemäß dem quantenmechanischen Modell zur Beschreibung elektronischer Energiezustände – genauso wie eine angelegte elektrische Spannung die Ladungsträger (Elektronen, Löcher) vom Valenzband (gebundener Zustand) in das Leitungsband (beweglicher Zustand), um einen Halbleiter vom isolierten in den leitenden Zustand zu versetzen. Die Anregungsenergie bestimmt dabei die spezifische Bandlücke (engl. Band Gap) des Halbleitermaterials – also der energetische Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband. Er liegt etwa im Frequenzbereich von infrarotem Licht. Letztlich entspricht das auch der maximal erreichbaren Geschwindigkeit in solchen Materialien.

Dielektrische Materialien wie z. B. Gläser oder Keramiken überwinden diese Grenzen, da sie verglichen mit Halbleitern viel mehr Energie benötigen, um leitend zu werden. Dieser Umstand erlaubt den Einsatz von hochfrequentem Licht. Denn wenn Licht seine Energie an Materie abgibt, dann „paketförmig“ in Form von Photonen, deren Energiemenge sich nach der Formel E=hf berechnet. Dabei ist „h“ eine universelle Naturkonstante (Plancksches Wirkungsquantum) und „f“ die Frequenz des Lichts. Je höher also die Frequenz des Lichtes, desto größer die Energie der Photonen.

Highspeed mit ultrakurzen Pulsen

Konkret beschossen nun die Physikern Lithiumfluorid-Proben mit ultrakurzen Laserpulsen im extremen UV-Bereich (EUV). Lithiumfluorid ist dielektrisch und weist von allen bekannten Materialien die größte Bandlücke auf.

Der ultrakurze Laserpuls brachte die Elektronen im Lithiumfluorid in einen energiereicheren Zustand. So konnten sie sich frei bewegen und das Material wurde kurzfristig zum elektrischen Leiter. Ein zweiter, etwas längerer Laserpuls steuerte die angeregten Elektronen in die gewünschte Richtung. Dadurch entstand elektrischer Strom, der mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert wurde.

Die Messungen lieferten Antworten auf die Fragen, wie schnell das Material auf den ultrakurzen Laserpuls reagierte, wie lange die Signalentstehung dauerte und wann das Material wieder für das nächste Signal bereit war. Daraus ergab sich, dass bei etwa einem Petahertz (1 Million GHz) eine theoretische Obergrenze für kontrollierte, optoelektronische Prozesse liegt. Schneller wird die Optoelektronik also vorerst nicht.

Zeit oder Energie?

Man stößt bei diesem Experiment auch auf ein klassisches Unschärfe-Dilemma, wie es in der Quantenphysik oft vorkommt. Nur mit extrem kurzen UV-Laserpulsen entstehen ausreichend schnell freie Ladungsträger. Das bedeutet aber, dass man den Elektronen nicht eine ganz bestimmte präzise definierte Energie überträgt, sondern sie ganz unterschiedliche Energien aufnehmen. Man kann zwar genau sagen, zu welchem Zeitpunkt die freien Ladungsträger entstehen, aber nicht in welchem Energiezustand sie sich danach befinden. Dieser bestimmt aber ihre Reaktion auf das elektrische Feld. Wenn also ihre exakte Energie unbekannt ist, lassen sie sich nicht mehr präzise steuern, und das Stromsignal wird verfälscht – besonders bei hohen Laser-Intensitäten.