Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Licht steuert Licht: Wie ein optischer Transistor funktioniert

11.10.2011
Der Transistor ist eine der einflussreichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.

In Fernsehern, Telefonen, Computern und anderen Geräten des Alltags hat er die Schlüsselfunktion, elektrische Signale durch elektrische Signale zu steuern. Je kleiner dabei die Schaltkreise sind, mit denen die Signale übertragen werden, desto schneller ist die Verarbeitung der Daten.

An der Universität Bayreuth hat ein Forschungsteam um Prof. Dr. Jürgen Köhler, Dr. Martti Pärs und Prof. Dr. Mukundan Thelakkat jetzt die Verstärkerfunktion eines optischen Transistors demonstriert. Die Pointe: In diesem Transistor ersetzt Licht den Strom. Lichtsignale werden durch Lichtsignale gesteuert.

In der neuen Online-Ausgabe der Zeitschrift "Angewandte Chemie International Edition" stellen die Bayreuther Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. An den Forschungsarbeiten war insbesondere Dr. Martti Pärs, ein Bayreuther Nachwuchswissenschaftler, beteiligt. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse sind hervorgegangen aus der engen Zusammenarbeit zwischen der Experimentalphysik und der Makromolekülchemie auf dem Bayreuther Campus. Sie legen Grundlagen für eine völlig neue Generation von Transistoren. Die DFG fördert die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet im Rahmen des Graduiertenkollegs "Fotophysik synthetischer und biologischer multichromophorer Systeme".

Zwei Moleküle im Team:
Ein lichtgesteuerter Schalter und ein leuchtstarker Partner
Das in Bayreuth verwendete Bauprinzip eines optischen Transistors ist einfach. Zwei Moleküle werden chemisch miteinander verbunden. Durch Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen wird das eine der beiden Moleküle abwechselnd in einen Zustand A oder B versetzt. Es reagiert dabei wie ein Schalter, der zwischen zwei gegensätzlichen Stellungen hin- und herspringt. Je nachdem, ob sich dieses lichtgesteuerte Schalter-Molekül im Zustand A oder B befindet, sendet das mit ihm verbundene Molekül ein schwaches oder starkes Lichtsignal aus: Licht steuert Licht. Dabei entsteht ein erheblicher Verstärkungseffekt. Denn schon ein kleines Lichtsignal reicht aus, um das Schalter-Molekül in eine Stellung zu bringen, in der das Partnermolekül stark aufleuchtet.
Prinzipielle Vorteile:
Höchste Effizienz auf kleinstem Raum
Ein so funktionierender Transistor bietet erhebliche Vorteile, wenn man ihn mit herkömmlichen Transistoren vergleicht: Letztere lassen sich aus physikalischen Gründen nicht beliebig verkleinern. Allen Bestrebungen, möglichst kleine Schaltkreise für den Transport elektrischer Signale zu entwickeln, ist eine natürliche Grenze gesetzt. Hingegen lässt sich eine Steuerung von Lichtsignalen durch Lichtsignale bereits auf molekularer Ebene realisieren, wie die Bayreuther Wissenschaftler jetzt gezeigt haben. Optische Transistoren kann es daher prinzipiell bereits auf molekularer Längenskala geben. Sie sind von Hause aus kleiner und damit auch schneller als elektrische Transistoren.

Ein weiterer Vorteil: Weil Lichtsignale – im Gegensatz zu elektrischen Signalen – sich nicht gegenseitig stören, können mehrere optische "Mini-Transistoren" zu einem größeren und umso leistungsfähigeren Transistor zusammengesetzt werden. Dann werden viele Daten auf kleinstem Raum parallel verarbeitet. Und schließlich ist jeder optische Transistor, wie groß er auch sein mag, in einer Hinsicht unschlagbar: Alle Signale werden mit Lichtgeschwindigkeit verarbeitet – schneller geht’s nicht.

Physikalische Details:
Aus dem Innenleben eines optischen Transistors
Bei dem in Bayreuth verwendeten Schalter-Molekül handelt es sich um Dithienylcyclopenten (DCP). Im Zentrum dieses symmetrisch aufgebauten Moleküls befindet sich ein Kohlenstoffring. Ist dieser Ring geschlossen, öffnet er sich, sobald er von einem ultravioletten Lichtstrahl (280 - 310 nm) getroffen wird. Ist der Ring offen, schließt er sich, sobald er einem sichtbaren farbigen Lichtstrahl (500 - 650 nm) ausgesetzt ist. Weil das DCP, abhängig von der Wellenlänge des Lichtstrahls, zwischen den beiden Strukturen hin- und herwechselt, wird es in der Forschung als photochromes Molekül bezeichnet.

An gegenüberliegenden Seiten des DCP haben die Bayreuther Forscher zwei organische Moleküle angehängt, die der Gruppe der Perylenbisimide (PBI) angehören. PBI-Moleküle sind dafür bekannt, dass sie stark aufleuchten – genauer gesagt: fluoreszieren – können. Dies ist immer dann der Fall, wenn ein PBI-Molekül Lichtenergie absorbiert hat und diese in vollem Umfang nach außen abgibt.

Ein PBI-Molekül, das wie ein Arm an ein DCP-Molekül angehängt ist, leuchtet unterschiedlich stark – je nachdem, ob der Ring in diesem Schalter-Molekül offen oder geschlossen ist. Ist er geschlossen, befindet sich das DCP auf einem relativ niedrigen Energieniveau. Infolgedessen überträgt das PBI den größten Teil seiner absorbierten Lichtenergie auf das DCP. Das DCP gibt die Lichtenergie ohne Fluoreszenzeffekte nach außen ab. Das PBI selbst leuchtet in diesem Fall nur schwach. Ist der Ring im DCP jedoch offen, verhält es sich umgekehrt. Dann befindet sich das DCP auf einem so hohen Energieniveau, dass das PBI keine Lichtenergie an das DCP weitergeben kann. Stattdessen leitet es die absorbierte Lichtenergie uneingeschränkt nach außen weiter: Das PBI leuchtet stark.

Weitere Herausforderungen für die Forschung

Mit diesen Forschungsergebnissen zeichnet sich die Zukunftsvision einer neuartigen Generation von Transistoren ab. Damit sie eines Tages verwirklicht werden kann, sind aber weitere Forschungsarbeiten erforderlich. Beispielsweise hat es den Anschein, als ob die fluoreszierenden PBI-Moleküle während langer Zeiträume ausbleichen, so dass ihre Leuchtkraft schwächer wird. Diesen Effekt gilt es genauer zu untersuchen. Ein weiterer Aspekt: In der bisher verwendeten Versuchsanordnung dauert es relativ lange, bis sich die Ringe bei einer großen Zahl von DCP-Molekülen öffnen und wieder schließen. Folglich sind die Abstände zwischen den dadurch gesteuerten Lichtsignalen noch ziemlich groß. Das Bayreuther Forschungsteam sucht deshalb nach einer Lösung, um diese Zeiten zu verkürzen.

Veröffentlichung:

Martti Pärs, Christiane C. Hofmann, Katja Willinger, Peter Bauer,
Mukundan Thelakkat, and Jürgen Köhler,
An Organic Optical Transistor Operated under Ambient Conditions,
in: Angewandte Chemie International Edition 2011, 50,
Article first published online: 5 Oct 2011
DOI-Bookmark: 10.1002/anie.201104193
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Dr. Jürgen Köhler
Experimentalphysik IV
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55-4000 und 55-4001
E-Mail: Juergen.Koehler@uni-bayreuth.de
Dr. Martti Pärs
Experimentalphysik IV
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55-4003
E-Mail: Martti.Paers@uni-bayreuth.de
Prof. Dr. Mukundan Thelakkat
Angewandte Funktionspolymere
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55-3108
E-Mail: Mukundan.Thelakkat@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften