Ultraschnelle Kontrolle über Elektronenpulse

Die rasant steigende Leistungsfähigkeit moderner Elektronik, beispielsweise in Smartphones, basiert auf immer kleineren und schnelleren Computerchips.

Forscher der Universität Göttingen haben an metallischen Nanospitzen nun erstmals eine aktive Kontrolle des Stroms bei Terahertz-Frequenzen – 1000 Milliarden Schaltzyklen pro Sekunde – gezeigt. Derzeit wird der Takt von Computer-Prozessoren in Gigahertz angegeben, was einer Milliarde Schaltzyklen pro Sekunde entspricht.

Um zukünftig in den Terahertz-Bereich vorzustoßen, bedarf es gänzlich neuer Technologien, die zwangsläufig von der Elektronik zur Optik führen. Neuartige Konzepte aus der sogenannten Lichtwellenelektronik, mit denen die Göttinger Forscher arbeiten, nutzen kontrollierte Lichtfelder und extrem kurze Laserpulse, um Elektronenströme auf der Nanometerskala zu steuern. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.

In ihren Experimenten hat die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Claus Ropers von der Fakultät für Physik Lichtpulse und elektrische Terahertz-Pulse zeitgleich überlagert und dabei deren Kopplung beobachtet.

„In den Messdaten können wir ganz direkt die elektrische Antwort der Nanostruktur auf das ultrakurze Eingangssignal ablesen. Dabei beobachten wir, dass die Stromstärke und die Geschwindigkeit der Elektronen ohne Verzögerung den ultraschnellen Terahertz-Schwingungen an der Nanospitze folgen“, erklärt Doktorandin Lara Wimmer.

Bis zum Einzug von Terahertz-Frequenzen in Computerchips sind noch eine Reihe physikalischer Hürden zu überwinden, doch schon jetzt zeigen sich direkte Anwendungsmöglichkeiten der aktuellen Ergebnisse in der ultraschnellen Spektroskopie und Bildgebung, einem Schwerpunkt der Arbeitsgruppe.

Doktorand Georg Herink erläutert: „Die einzigartige Elektronendynamik im Terahertzfeld erlaubt eine Feinabstimmung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Elektronenpuls. Das Ziel dieser Optimierung sind die kürzesten Pulse für die zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie, die wir mit unseren Kollegen hier in Göttingen entwickeln.“

Originalveröffentlichung: Lara Wimmer et al.: Terahertz control of nanotip photoemission, Nature Physics 10, 432–436 (2014), doi: http://dx.doi.org/10.1038/nphys2974

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Claus Ropers
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-4549, E-Mail: cropers@gwdg.de
Internet: http://www.uni-goettingen.de/de/91116.html

http://dx.doi.org/10.1038/nphys2974