Blitzschneller Schalter für Elektronenwellen

Der charakteristische Glanz von Metallen wird durch Elektronen hervorgerufen, die sich im Materialinneren frei bewegen können und einfallendes Licht reflektieren. Ähnlich Wasserwellen auf einem Teich können auch auf der Oberfläche dieses Elektronensees Wellen entstehen – sogenannte Oberflächenplasmonen.

Anstatt eines Steins, den man ins Wasser wirft, benutzt man im Labor Licht, um Oberflächenplasmonen zu erzeugen. Wird Licht auf eine scharfe Metallspitze von der Größe weniger Nanometer gebündelt, so breiten sich ausgehend von dieser Spitze winzige kreisförmige Oberflächenwellen aus. Ein Nanometer ist hierbei nur etwa zehnmal so groß wie der Durchmesser eines Atoms.

Diese Miniaturwellen könnten in künftigen kompakten elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen, um digitale Information blitzschnell zu transportieren. Allerdings gab es bisher keine Möglichkeit, solche Oberflächenwellen ultraschnell ein- und auszuschalten. In der konventionellen Elektronik wird eine analoge Aufgabe von sogenannten Transistoren wahrgenommen.

Einem Forscherteam um Professor Rupert Huber, Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, ist es in Kooperation mit Kollegen aus Pisa nun erstmals gelungen, Wellen im Elektronensee tatsächlich ultraschnell ein- und auszuschalten und damit eine wichtige Grundlage für künftige Plasmaelektronik zu legen.

Die Physiker verwendeten hierfür allerdings kein Metall, auf welchem Elektronenwellen stets präsent sind. Vielmehr kam eine ausgeklügelte Schichtstruktur basierend auf einem Halbleiter zum Einsatz. Halbleiter wie Silizium sind die Materialien, aus denen Computerchips bestehen.

Bei dem hier verwendeten Halbleiter handelt es sich um ein besonders modernes Material: sogenannten schwarzen Phosphor. Durch Einstrahlen eines intensiven Lichtblitzes können darin frei bewegliche Elektronen erst erzeugt werden. Ohne diese sind keine Oberflächenwellen vorhanden und die Struktur ist „ausgeschaltet“. Sobald allerdings der erste Laserimpuls die frei beweglichen Elektronen erzeugt hat, können mit einem darauffolgenden Impuls die Oberflächenplasmonen von der Spitze aus losgeschickt werden.

Um zu testen, wie schnell dieser Schaltvorgang werden kann, aktivierte das Regensburger Team um Prof. Dr. Rupert Huber Oberflächenplasmonen mit ultrakurzen Lichtblitzen mit Zeitdauern von nur wenigen Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist die unvorstellbar kurze Zeitspanne eines millionsten Teils einer Milliardstel Sekunde, also 0, 000 000 000 000 001 Sekunden.

Mit einem weltweit einzigartigen superschnellen und hochauflösenden Mikroskop verfolgten die Forscher anschließend direkt in extremer Zeitlupe, wie sich die Plasmonwelle ausbreitet. Dabei war klar zu erkennen, dass die Schaltzeiten auf der Femtosekunden-Zeitskala lagen und somit um viele Größenordnungen schneller als die schnellsten existierenden Transistoren waren. Eine angenehme Überraschung war, dass die Wellenlänge der Oberflächenwellen fast unabhängig von der Leistung des einschaltenden Lasers ist.

Diese Ergebnisse sind äußerst ermutigend für künftige ultraschnelle Elektronik auf Basis von Oberflächenplasmonen. Im nächsten Schritt werden die Regensburger Forscher erste funktionsfähige plasmonische Bauelemente testen – ab sofort auf der Femtosekunden-Zeitskala.

Das neuartige Prinzip wird in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ vorgestellt (DOI: 10.1038/NNANO.2016.261)

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Rupert Huber
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Telefon: 0941 943-2070
E-Mail: Rupert.Huber@ur.de