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 Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft
27.04.2017 | Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbH

nachricht Ergonomie am Arbeitsplatz: Kamera erkennt ungesunde Bewegungen
24.04.2017 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie