Speedlimit für Computer ermittelt

Die Maximalgeschwindigkeit der Signalübertragung in Mikrochips liegt bei etwa einem Petaherz (eine Million Gigahertz) und ist damit etwa 100'000 Mal schneller, als es derzeitige Transistoren sind. Diese Erkenntnis veröffentlichen Physikerinnen und Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universitäten Wien und Graz heute im Fachjournal «Nature Communications». Ob Computerchips dieser Maximalkapazität jemals tatsächlich hergestellt werden können, ist allerdings fraglich.

Die Mikroelektronik verfolgt zwei Ansätze, um Computer schneller zu machen: Einerseits wird daran gearbeitet, die Bauteile immer mehr zu verkleinern, damit die Datenübertragung (Signalweg von A nach B) buchstäblich «nicht so lange braucht». Die physikalische Grenze dieser Miniaturisierung liegt bei der Grösse eines Atoms. Kleiner kann ein Schaltkreis physikalisch nicht sein.

Die zweite Möglichkeit für eine schnellere Datenübertragung liegt darin, die Schaltsignale von Transistoren per se zu beschleunigen. Das sind jene Komponenten in Mikrochips, die den Strom fliessen lassen, oder ihn blockieren. Hier setzte die Forschung der deutsch-österreichischen Physikergruppe an.

Schnell bedeutet in diesem Fall «hochfrequent», wie der Hauptautor und Leiter des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz Martin Schultze erklärt: «Je schneller man werden will, desto hochfrequenter muss das elektromagnetische Signal sein – und irgendwann kommen wir so in den Bereich der Lichtfrequenz, die auch als elektromagnetisches Signal betrachtet bzw. verwendet werden kann.»

Das geschieht beispielsweise in der Optoelektronik, wo Licht dafür verwendet wird, um im Halbleiter die Elektronen vom Valenzband (jener Bereich, wo sich die Elektronen normalerweise aufhalten) zum Leitungsband anzuregen, damit er vom isolierten in den leitenden Zustand wechselt. Die Anregungsenergie wird dabei vom Halbleitermaterial selbst bestimmt. Sie liegt im Frequenzbereich von infrarotem Licht, was schlussendlich auch der maximal erreichbaren Geschwindigkeit entspricht, die mit solchen Materialien erreicht werden kann.