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Licht statt Elektronik: Linzer forschen am Computer der Zukunft

Computer-Chips
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Forscher an der Universität Linz arbeiten daran, Informationen in Computern über Lichtteilchen zu versenden. Nun ist ihnen ein wichtiger Meilenstein gelungen.

Einen Schritt in Richtung Licht-Computer bzw. den Ersatz von Elektronik durch Photonik melden Wissenschafter des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik an der Universität Linz in der jüngsten Ausgabe der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Physical Review Letters". Es gelang ihnen, die Verweildauer von Ladungsträgern in Halbleitern im Bereich von wenigen Pikosekunden (eine Picosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde) exakt zu messen.

Informationen über Lichtteilchen (Photonen) zu versenden, ist mittlerweile keine Hexerei mehr. Dies geschieht in jedem Glasfaserkabel. Doch was über große Distanzen rasend schnell und zuverlässig funktioniert, scheitert im Kleinen, so Patrick Rauter von der Uni Linz gegenüber der APA. Eine sogenannte "chip-to-chip-Kommunikation" ausschließlich mittels Licht ist derzeit für die Datenverarbeitung noch nicht machbar. Ein Hauptproblem dabei ist, dass Silizium aufgrund seiner Halbleiterstruktur keine Photonen auf konventionellem Weg erzeugt. "Unkonventionell könnte es aber schon gehen" - und genau an einer solchen Lösung arbeitet das Linzer Team um Thomas Fromherz.

Die Lösung wäre ein "Quantenkaskadenlaser" auf Basis einer Silizium-Germanium-Heterostruktur. Dabei wird das Halbleitermaterial Silizium mit Schichten von Germanium versorgt, diese Mischung könnte die Erzeugung von Laserlicht im Infrarotbereich durch quantenphysikalische Effekte erlauben. Damit die Sache funktioniert, müssen die Ladungsträger zwischen verschiedenen Energieniveaus hin und herspringen und dabei aber eine bestimmte Zeit im oberen Niveau verbleiben. "Die Länge dieses Zeitraums gilt als wichtige Größe für den Quantenkaskadenlaser, da die Verweildauer der Ladungsträger im angeregten Zustand mit der Möglichkeit zur Emission von Licht eng zusammenhängt", so Rauter.

Durch einen sogenannten Freie-Elektronen-Laser, dessen Strahl in Pikosekundenlänge gepulst werden kann, ist es den Physikern nun gelungen, die Verweildauer zu messen. Mit einem ersten Strahl wurden die Ladungsträger im Silizium-Germanium angeregt, der zweite diente dann zur Messung. Um die Verweildauer zu verlängern, legten die Forscher ein äußeres elektrisches Feld an die Probe an. Die Veränderung dieses Feldes erlaubte es ihnen, die Rückfallzeit der Ladungsträger zwischen zwölf und 25 Pikosekunden stufenlos zu regulieren. "Tatsächlich konnten wir die Relaxationszeit verdoppeln, ein vielversprechendes Ergebnis", so Rauter.

Die nun in "Physical Review Letters" publizierte Arbeit ist auch Teil des Spezialforschungsbereichs IR-ON (InfraRed Optical Nanostructures) des Wissenschaftsfonds FWF. In diesem befassen sich insgesamt zehn Arbeitsgruppen aus Österreich und Deutschland mit Silizium-Gernium-Verbindungen, deren Nanostrukturen den Einsatz optoelektronischer Chips ermöglichen sollen.

 

(Ag.)