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Elektrischen Ströme in Festkörpern im Rekordtempo

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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QuantenphysikElektrischer Strom im Rekordtempo

In der Elektronik gilt: Je kleiner, desto schneller. Manche Bauteile von Computern oder Mobilfunkgeräten sind heute jedoch so winzig, dass sie nur noch aus einer Handvoll von Atomen bestehen. Viel weiter verkleinern lassen sie sich also nicht mehr.

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Lichtpulse

Ein anderer wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte, ist die Geschwindigkeit, mit der die elektrischen Ströme schwingen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben nun Ströme erzeugt, die die Frequenz des sichtbaren Lichtes um mehr als das Zehnfache übertreffen. Dabei haben sie Elektronen von Siliciumdioxid mit kurzen Laserpulsen zum Schwingen gebracht. Die Leitfähigkeit des normalerweise isolierend wirkenden Materials stieg so um mehr als 19 Größenordnungen.

Seit mehr als hundert Jahren wollen Wissenschaftler konventionelle Stromquellen wie Batterien durch Licht ersetzen und so elektrische Ströme in Festkörpern erzeugen. Der Versuch, in Festkörpern durch Lichteinstrahlung elektrische Ströme hervorzurufen, blieb aber jahrzehntelang erfolglos. „Inzwischen können wir aber mit Lasern Materie immer besser kontrollieren und Lichtfelder immer genauer messen“, erklärt Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Forschungsgruppe Attoelectronics am Garchinger Max-Planck-Institut.

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Konventionelle elektronische Techniken können so schnelle elektrische Ströme weder erzeugen noch erfassen, denn in herkömmlichen Schaltkreisen werden die Elektronen von dem elektrischen Feld der Stromquellen, etwa Batterien, zu Schwingungen angestoßen. Auch wenn alle Elektronen anfangs der Kraft des Batteriefeldes folgen, stoßen sie gelegentlich mit langsameren Teilchen wie Atomen oder Ionen zusammen und verlieren dadurch ihre Synchronizität. Von intensiven Lichtfeldern dagegen werden die Elektronen in extrem kurzer Zeit beschleunigt. Deshalb geraten sie in Schwingungen und erzeugen elektrischen Strom, bevor ihnen andere Teilchen in die Quere kommen.

Die Forscher haben deshalb Laser für die Stromerzeugung verwendet. Diese können die Elektronen in Festkörpern in extrem schnelle Schwingungen versetzen. „Auch für die Messung der schnellen elektronischen Bewegung benutzen wir optische Techniken: Die im Siliciumdioxid synchron schwingenden Elektronen erzeugen nämlich extreme Ultraviolett-Strahlung. Es ist leichter, diese Strahlung zu messen als die Ströme direkt nachzuweisen“, sagt Manish Garg, einer der Autoren der Studie.

Die so nachgewiesenen Ströme sind etwa eine Million mal schneller als die in einem gängigen modernen Computerprozessor. Die Forscher wollen mit ihren Untersuchungen einerseits die physikalischen Grenzen ausloten. „Wenn sich Elektronen kohärent bewegen, strahlen sie Licht ab. Licht wiederum spielt in der Photonik die Schlüsselrolle. Deshalb können wir vielleicht zwei wichtige Bereiche der modernen Wissenschaft vereinigen: die Elektronik und die Photonik“, sagt Goulielmakis. Gleichzeitig könnte der Ansatz der Wissenschaftler den Weg für elektronische Geräte ebnen, die eine Million mal schneller als heutige sind.

Originalpublikation:
M. Garg, M. Zhan, T. T. Luu, H. Lakhotia, T. Klostermann, A. Guggenmos & E. Goulielmakis: Multi-petahertz electronic metrology. Nature; 20 October, 2016.

Ansprechpartner:
Dr. Eleftherios Goulielmakis
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
E-Mail: elgo@mpq.mpg.de

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