Forschung & Entwicklung

Elektronen mit Licht steuern

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Diesem Ziel sind Forscher nun einen Schritt nähergekommen. Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Die Stromregelung ist eine der wichtigsten Komponenten in der Elektronik; sie ist verantwortlich für die Daten- und Signalübertragung. Die Elektronenströme mit Lichtwellen statt wie bisher über Spannungssignale zu kontrollieren, ist Gegenstand aktueller Forschung. Doch bisher hat es sich als schwierig herausgestellt, Elektronenströme in Metallen zu steuern, da sie Lichtstrahlen reflektieren. Die Elektronen im Inneren können daher nicht durch die Lichtwelle beeinflusst werden.

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) greifen daher auf Graphen zurück, das aus nur einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht und damit so dünn ist, dass genug Licht einfällt, um Elektronen in Bewegung zu versetzen. Damit war es den Physikern vom Lehrstuhl für Laserphysik bereits in einer früheren Studie gelungen, mithilfe eines sehr kurzen Laserpulses ein elektrisches Signal zu erzeugen und das auf einer Zeitskala von nur einer Femtosekunde. Unter diesen extremen Zeitskalen offenbaren Elektronen ihre Quantennatur: Sie verhalten sich wie eine Welle. Angetrieben vom Laserpuls gleitet die Elektronenwelle durch das Material.

In der aktuellen Studie haben die Forscher einen zweiten Laserpuls auf diese lichtgetriebene Welle gerichtet. Dieser zweite Puls ermöglicht es, die Elektronenwelle nun in zwei Dimensionen durch das Material gleiten zu lassen. Mithilfe des zweiten Laserpulses kann die Elektronenwelle abgelenkt, beschleunigt oder sogar ihre Richtung geändert werden. Abhängig vom exakten Zeitpunkt des zweiten Pulses, seiner Stärke und seiner Richtung, können somit Informationen auf diese Welle übertragen werden.

Man kann sogar noch einen Schritt weitergehen: „Stellen Sie sich die Elektronenwelle als Wasserwelle vor. Wasserwellen können sich an einem Hindernis aufspalten und wenn sie am Ende des Hindernisses wieder zusammenlaufen interferieren. Je nachdem wie die beiden Teilwellen zueinander im Verhältnis stehen, können sie sich verstärken oder auslöschen. Mit dem zweiten Laserpuls können wir gezielt die einzelnen Teilwellen modifizieren und damit deren Interferenz kontrollieren“, erklärt Christian Heide vom Lehrstuhl für Laserphysik.

Generell ist es sehr schwierig, Quantenphänomene, wie hier die Welleneigenschaft der Elektronen, zu kontrollieren. Das liegt daran, dass es sehr schwer ist, so eine Elektronenwelle in einem Material aufrecht zu erhalten, da diese zum Beispiel mit anderen Elektronen streut und damit ihre Welleneigenschaft verliert. Typischerweise werden dafür Experimente bei extrem tiefen Temperaturen durchgeführt. Die Forscher der FAU können diese Experimente nun auch bei Raumtemperatur durchführen, da sie die Elektronen über Laserpulse so schnell kontrollieren können, dass keine Zeit für Streuprozesse mit anderen Elektronen ist. Daraus können viele neue physikalische Prozesse erforscht werden, die vorher nicht zugänglich waren.

Damit sind die Wissenschaftler der durch Lichtwellen gesteuerten Elektronik einen großen Schritt nähergekommen. In den nächsten Jahren werden sie untersuchen, ob sich die Elektronen auch in anderen zweidimensionalen Materialien kontrollieren lassen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[C. Heide, T. Higuchi, H. B. Weber, P. Hommelhoff, Coherent Electron Trajectory Control in Graphene, Phys. Rev. Lett. 121 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.207401]

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