Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Signalverarbeitung mit Lichtfrequenzen

12.03.2014

In einem Übersichtsartikel in Nature Photonics diskutieren Ferenc Krausz und Mark Stockman experimentelle und theoretische Erkenntnisse, die eine lichtgesteuerte Informationstechnologie ermöglichen würden.

Licht könnte die heutige Elektronik um das 100.000fache beschleunigen. Diese Vision beschreiben Prof. Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und sein Kollege Prof. Mark Stockman von der Georgia State University (GSU) in Atlanta in einem Übersichtsartikel im Fachmagazin Nature Photonics (14. März 2014).


In Zukunft könnten Lichtwellen auf einen Chip treffen, mit dessen Hilfe dann wiederum Strom (grün) mit den Frequenzen der Lichtwellen geschaltet wird (bis zu Petahertz, also 1000 Billionen Schwingungen pro Sekunde). (Foto: Christian Hackenberger, MPQ, Abt. Attosekundenphysik)

In ihrem Szenario verwendet man die elektrischen Felder von Laser-Lichtwellen um den Fluss von Elektronen in Halbleitermaterialien zu kontrollieren. Das würde bedeuten, dass man künftig elektronische Schaltkreise mit Lichtfrequenzen schalten könnte. Sichtbares Licht schwingt rund eine Million Milliarden Mal pro Sekunde.

Ebenso schnell könnte die Signalverarbeitung werden. Da sowohl Elektronen als auch Licht Träger von Daten sind, könnte innovative optoelektronische Technologien die Geschwindigkeit der Informationsübermittlung erheblich beschleunigen. Das würde eine neue Ära in der Informationstechnologie einläuten.

Die Autoren erläutern in ihrem Artikel die neuen Techniken der Attosekundenphysik, die wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung der lichtgesteuerten Signalverarbeitung einnehmen.

Licht könnte der Strom- und Datenschalter der Zukunft sein. Der Gedanke liegt nahe, denn die elektromagnetischen Felder des Lichts beeinflussen Elektronen. Elektronen sind der Stoff aus dem unser Strom besteht. Sie sind auch Träger von Daten und damit für die Informationstechnologie essentiell.

Könnte man die Elektronen mit Licht kontrollieren, würde das eine neue Ära in der Technik einläuten: die Lichtwellen-gesteuerte Elektronik. Mit ihr wären rund eine Million Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde denkbar. Denn etwa so oft schwingt eine Lichtwelle in einer Sekunde.

Voraussetzung, dass ein Strom- und Datenschalter aus Licht eines Tages Realität wird, ist eine perfekte Kontrolle über Lichtwellen, beschreiben Ferenc Krausz und sein Kollege. der amerikanische Festkörperphysiker Mark Stockman, ihre Gedanken und Visionen in Nature Photonics. Die Grundlage für diese Überlegungen bilden erste theoretische und experimentelle Untersuchungen, die gezeigt haben, dass das oszillierende elektrische Feld des Lichts elektrische Ströme kontrollieren kann (Nature, doi:10.1038/nature11567).

Diese Kontrolle bildet die technische Grundlage für die Attosekundenphysik, die erstmal die Echtzeitbeobachtung von atomaren Elektronenbewegungen mittels Attosekunden-langen Lichtblitzen ermöglicht hat. Eine Attosekunde dauert ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Solche Attosekunden-Lichtblitze lassen sich nur wunschgemäß formen, wenn man die Lichtwellen der zu ihrer Produktion notwendigen Laserpulse perfekt steuern kann.

Krausz und Stockmann beschreiben in ihrem Artikel die Techniken, die dies erlaubten. Eine ausführlichere Geschichte der Attosekundenphysik ist in englischer Sprache auf der Homepage des Labors für Attosekundenphysik (http://www.attoworld.de/Mainpages/Attoworld/index.html#279) beschrieben.

Über eine erste Nutzung von Licht als Stromschalter berichtet ein Forscherteam um Prof. Krausz, Mark Stockman und Vadym Apalkov (GSU) in der gleichen Ausgabe von Nature Photonics. Der Strom, den das elektrische Feld eines ultrakurzen Lichtpulses in einem Isolator (Siliziumoxid) generiert, liefert direkte Information über die Wellenform des Lichtpulses (Nature Photonics, 14. März 2013, doi:10.1038/nphoton.2013.348). Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Detektors, der Lichtwellen sichtbar macht, ähnlich wie Oszillographen Mikrowellen darstellen.

Die Attosekundenphysik ist somit auf dem Weg, die Festkörper-Elektronik zumindest für die Messtechnik bis zu Lichtfrequenzen zu beschleunigen. Ob sich auch die Signalverarbeitung ähnlich beschleunigen lassen wird, ist heute noch völlig offen. „Unsere Vision ist ein Chip, mit dessen Hilfe wir Strom mit dem elektrischen Feld von Licht schalten können. Das würde bedeuten, dass man die heutige digitale Signalverarbeitung um den Faktor 100.000 beschleunigt. Schneller geht es nicht mehr“, erklärt Ferenc Krausz. Noch sind die Experimente Grundlagenforschung. Doch mit ihren Erkenntnissen haben die Wissenschaftler die Grenzen der heutigen Elektronik und Photonik ein Stück aufgeweicht. Der Weg hin zu einer lichtbasierten und damit weitaus schnelleren und leistungsfähigeren Elektronik scheint geebnet. Thorsten Naeser

Originalveröffentlichungen:

Ferenc Krausz und Mark I. Stockman
Attosecond metrology: from electron capture to future signal processing, Nature Photonics 14. März 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2014.28

Tim Paasch-Colberg et al.
Solid-state light-phase detector, Nature Photonics 14. März 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2013.348

Agustin Schiffrin et al.
Optical-field-induced current in dielectrics, Nature, 3. Januar 2012, DOI: 10.1038/nature11567

Martin Schultze et al.
Controlling dielectrics with the electric field of light, Nature, 3. Januar 2012, DOI: 10.1038/nature11720

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Ferenc Krausz
Lehrstuhl für Experimentalphysik,
Ludwig-Maximilians-Universität München,
Labor für Attosekundenphysik
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -600 / Fax: -649
E-Mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de

Thorsten Naeser
Munich-Centre for Advanced Photonics
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 124
E-Mail: thorsten.naeser@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.attoworld.de/Mainpages/Attoworld/index.html#279

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht
18.01.2017 | Technische Universität Berlin

nachricht »Lernlabor Cybersicherheit« startet in Weiden i. d. Oberpfalz
12.01.2017 | Fraunhofer-Gesellschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie