Informationsübertragung Mit Licht Informationen 1.000 Mal schneller verarbeiten

Bisher wird zur Informationsübertragung Strom an- oder abgeschaltet. An der Universität Jena arbeiten Forscher jetzt an einem System, das monokristalline 2D-Materialien und Laserlicht für die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen verwendet und damit 1.000 Mal schneller ist.

In der Elektronik wird bisher alles über das Binärsystem mit Strom gesteuert. Elektronen generieren so schon ziemlich schnell und gut Informationen, leiten diese weiter und übernehmen diverse Schaltfunktionen. Doch es geht noch schneller. Das haben Paul Herrmann und Sebastian Klimmer von der Universität Jena bewiesen. Sie forschen am Institut für Festkörperphysik in der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle optische Spektroskopie“. Deren Ziel ist es, neue Materialien und technische Möglichkeiten zu finden, die helfen, die Informationsverarbeitung und Weiterleitung mit moderner Elektronik um Größenordnungen schneller zu machen.

Experimente mit 2D-Materialien und Laserlicht

Dafür nutzen sie Licht als Werkzeug und einen High-Tech-Baukasten mit sogenannten 2D-Materialien. Diese Materialien bestehen aus nur einer Lage von Atomen und verfügen über herausragende optische Eigenschaften. Die beiden Physiker haben sich aus diesem Baukasten das Wolframdiselenid ausgesucht, das zur Gruppe der Übergangsmetalldichalkogenide gehört. „Dieses spezielle Halbleitermaterial hat lokale Extrema in seiner elektronischen Bandstruktur, sogenannte Valleys, welche wir mit Licht manipulieren können“, erklärt Paul Herrmann die Wahl. „Wir beschießen das Material mit einem zirkular polarisierten Laser. Das kann in zwei unterschiedlichen Richtungen geschehen, so dass wir damit bestimmen können, in welchem Valley wir Elektronen anregen“. Dieses Phänomen der Valleypolarisation – also der Zustand, in dem ein Valley mehr angeregt wird als das andere – kann man wiederum ausnutzen, um darin Informationen zu codieren, zu manipulieren und wieder auszulesen.

Gleichzeitig machen sich die Forscher den Effekt der Frequenzverdopplung von Licht, zunutze. „Wir verwenden einen Infrarotlaser bei einer Wellenlänge von 1.500 Nanometern. Damit können wir die Frequenzverdopplung in Wolframdiselenid mit zwei Photonen resonant betreiben und somit die induzierte Valleypolarisation noch verstärken“, beschreibt Herrmann den komplizierten Prozess. „Weiterhin erlaubt uns die Verwendung der Frequenzverdopplung eine deutlich einfachere Trennung des Anregungslichtes und dem für uns interessanten Signal, welches sich entsprechend bei 750 Nanometern, der halben Wellenlänge beziehungsweise der doppelten Frequenz befindet“, ergänzt Klimmer.

Mit Licht wird Elektronik 1.000 Mal schneller

Bisher wird zur Informationsübertragung Strom an- oder abgeschaltet. Ein Transistor schafft so etwa eine Milliarde Berechnungen pro Sekunde. Wird die Elektronik mit Licht statt Strom geschaltet, lässt sich das auf eine Billion Berechnungen pro Sekunde steigern. Das heißt, das neue System ist 1.000 Mal schneller als die herkömmliche Elektronik. Das mache die Lösung perspektivisch interessant für viele Bereiche der Optoelektronik und Technik. Doch bis die neuen Erkenntnisse zu den 2D-Materialien und technischen Lösungen der Jenaer in größerem Maßstab eingesetzt werden können, werde es noch einige Jahre dauern. Die Grundlagenforschung ist hierzu in vollem Gange.

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