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Schnellere Bauelemente durch kohärente Schalteffekte
Hannover (vws) Moderne Kommunikationssysteme wie das Internet verlangen für die Übertragung von Information immer höhere Datenraten. Derzeit werden mit optischen Signalen in Glasfasern Übertragungsraten von einigen Milliarden Dateneinheiten ("Bits") pro Sekunde und Faser erreicht; das gewaltige Wachstum des Internets wird aber schon in naher Zukunft das Zehn- und Hundertfache dieser Leistung verlangen. Wenn die Datenraten derart ansteigen sollen, müssen die für die Kodierung eines Bits verwendeten Lichtimpulse zeitlich immer kürzer werden. Zur Erzeugung und Verarbeitung dieser Lichtimpulse benötigt man optoelektronische Bauelemente, mit denen sich immer schnellere Schaltfunktionen realisieren lassen. Dabei geht es um Zeiten in der Größenordnung von einer Pikosekunde, das heißt ein Tausendstel einer milliardstel Sekunde - Zeiträume, die man sich kaum mehr vorstellen kann.
Grundlage fast aller optoelektronischen Bauelemente sind Halbleiterstrukturen. In diesen Strukturen können Schaltfunktionen erzielt werden, indem Elektronen in einen angeregten Zustand versetzt werden. Die Maximalgeschwindigkeit solcher Schaltfunktionen wird dadurch begrenzt, daß die Elektronen vor jedem Schaltprozeß in den Grundzustand zurückkehren müssen, wofür eine gewisse Zeit benötigt wird. Fortschritte in diesem Bereich sind von einem neuen Ansatz zu erwarten, der im Forschungsprojekt "Schaltfunktionen durch kohärente Effekte in Halbleiter-Heterostrukturen" unter der Leitung von Professor Dr. Karl Leo am Institut für Angewandte Photophysik der Technischen Universität Dresden erprobt werden soll.
Kohärenz bedeutet in diesem Zusammenhang, daß zwischen den Phasen von Wellenzügen eine starre, zeitlich unveränderliche Beziehung besteht: Die Wellenzüge breiten sich quasi im Gleichschritt aus. Man erreicht diesen Gleichschritt, indem man die Elektronen im Takt durch Laserlicht anregt. Bei Elektronen, die auf diese Weise kohärent angeregt sind, ist die entscheidende Zeitkonstante die Zerfallszeit der Kohärenz - und die ist viel kürzer als die Zeit zur Rückkehr in den Grundzustand. Damit können kohärente Schalteffekte Bauelemente ergeben, die um Größenordnungen schneller sind als die bisherigen. Die Volkswagen-Stiftung fördert die Arbeiten in ihrem Schwerpunkt "Photonik: Materialien, physikalisch-chemische Grundlagen, Bauelemente und Integration" mit rund 285.000 Mark.
In Vorarbeiten der Dresdner Wissenschaftler haben sich Halbleiter-Übergitter als besonders günstige Systeme für kohärente Effekte erwiesen. Solche Übergitter werden erzeugt, indem man zwei Halbleitermaterialien in wenige Nanometer dicke Schichten abwechselnd aufeinander abscheidet. Damit gelang es vor wenigen Jahren, einen um 1930 theoretisch vorhergesagten physikalischen Effekt im Experiment nachzuweisen: Wird ein Elektron durch ein elektrisches Feld in einem solchen Übergitter beschleunigt, so wird es nach kurzer Wegstrecke reflektiert und kehrt an seinen Ausgangsort zurück, um dann erneut zu beschleunigen. Die daraus resultierenden räumlichen Oszillationen (nach ihrem Entdecker Bloch-Oszillationen genannt) wurden vor kurzem am Institut für Angewandte Photophysik direkt beobachtet. Die Elektronen vollführten innerhalb einer Pikosekunde einige Schwingungen mit einer Amplitude von 15 Milliardstel Meter. So winzig diese Distanz ist, lassen sich solche Bewegungen doch optisch erfassen und für Schalteffekte nutzen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, diese Effekte genauer zu untersuchen und die Grundlagen für eine neue Generation ultraschneller Bauelemente zu legen. Vielleicht werden in Zukunft "im Takt tanzende" Elektronen dazu dienen, Daten noch schneller als bisher zu übertragen.
Kontakt: Prof. Dr. Karl Leo, Telefon: (0351)463-7533
http://ppprs1.phy.tu-dresden.de
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects
German
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