Dielektrisches Material: Kandidat für Speed-Rekorde

Dielektrische Materialien (wie z. B. Gläser oder Keramiken) könnten diese Grenzen überwinden, da sie verglichen mit Halbleitern viel mehr Energie benötigen, um angeregt zu werden. Mehr Energie erlaubt wiederum den Einsatz von höherfrequentem Licht und damit eine schnellere Datenübertragung. Leider aber können dielektrische Materialien keinen Strom leiten, ohne kaputtzugehen, wie Marcus Ossiander, Erstautor der Studie und derzeit Postdoktorand an der Universität Harvard bildhaft erklärt: «Wenn Sie beispielsweise ein elektromagnetisches Feld in Glas anlegen, damit dieses Strom leitet, dann ist das Glas hinterher zerbrochen oder hat ein Loch.»

Der Ausweg, den die Forschungsgruppe für ihre Untersuchungen wählte: Die Spannung bzw. die Schaltfrequenz so kurzzuhalten, dass das Material gar keine Zeit hat, um zu brechen.

Konkret verwendeten die Physikerinnen und Physiker für ihre Untersuchungen einen ultrakurzen Laserpuls mit einer Frequenz im extremen UV-Bereich. Mit diesem Laserpuls beschossen sie eine Lithiumfluorid-Probe. Lithiumfluorid ist dielektrisch und weist von allen bekannten Materialien die grösste Bandlücke auf. Das ist der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband.

Der ultrakurze Laserpuls brachte die Elektronen im Lithiumfluorid in einen energiereicheren Zustand, sodass sie sich frei bewegen konnten. So wurde das Material kurzfristig zum elektrischen Leiter. Ein zweiter, etwas längerer Laserpuls steuerte die angeregten Elektronen in eine gewünschte Richtung, wodurch ein elektrischer Strom entstand, der dann mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert werden konnte.

Die Messungen lieferten Antworten auf die Fragen, wie schnell das Material auf den ultrakurzen Laserpuls reagierte, wie lange die Signalentstehung dauerte und wie lange man warten muss, bis das Material dem nächsten Signal ausgesetzt werden kann. «Daraus ergibt sich, dass bei etwa einem Petahertz eine Obergrenze für kontrollierte optoelektronische Prozesse liegt», sagt Joachim Burgförder vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Das heisst freilich nicht, dass Computerchips mit einer Taktfrequenz von knapp einem Petahertz hergestellt werden können. Fest steht aber: Schneller als in den Untersuchungen gezeigt wurde, wird Optoelektronik vorerst nicht werden – wie nahe zukünftige Technologien an diese Grenze herankommen, steht in den Sternen.