Es geht um den Trillionstel Teil einer Sekunde: so gering sind die Unterschiede in den Flugzeiten von Elektronen wenn sie wenige Atomlagen in einem Kristall durchqueren. Solche wenige Attosekunden langen Zeitdifferenzen hat ein internationales Forscherteam nun zum ersten Mal in Echtzeit gemessen. Wichtig ist dies deshalb, weil die Geschwindigkeit der Elektronenbewegung beispielsweise bestimmt, wie schnell ein miniaturisiertes elektronisches Bauteil ist. Die Bedeutung der neuen Messtechnik wird durch ein Erscheinen auf der Titelseite der aktuellen „Nature“-Ausgabe bewürdigt.
In modernen elektronischen Schaltkreisen werden die Elektronen von einer Mikrowellenspannung durch Nanostrukturen gejagt, der elektrische Strom wird dadurch innerhalb von Nanosekunden an- und abschaltet. Die durch den Mikrochip vorgegebene Schaltzeit bestimmt beispielsweise die Zahl der Rechenoperationen, die ein Computer pro Sekunde ausführen kann. Ultimativ ist die Schaltgeschwindigkeit begrenzt durch die Zeit, die die Elektronen brauchen, um durch die Strukturen zu laufen, in denen deren Strom ein und ausgeschaltet wird.
Je kleiner die Struktur, desto höher die erreichbare Schaltgeschwindigkeit und die Dichte des Informationsflusses. In Schaltkreisen atomarer Dimensionen könnte prinzipiell die Richtung des elektrischen Stromes mehr als eine Billion Mal in der Sekunde gewechselt werden und damit hunderttausend mal öfter als es die heutige Elektronik erlaubt.
Elektronenbeobachtung in Echtzeit
Der erste Schritt auf dem langen Weg zur ultimativen Petahertz- Elektronik ist die Entwicklung von Techniken, mit denen der elektrische Ladungstransport in atomaren Strukturen in Echtzeit beobachtet werden kann. Dieser erste Schritt hat ein internationales Forscherteam am Max-Planck- Institut für Quantenoptik in Garching bei München (MPQ) nun erfolgreich demonstriert. Die Forscher konnten die Bewegung von Elektronen durch wenige Atomlagen an die Oberfläche eines Festkörperkristalls in Echtzeit verfolgen.
Gemeinsam mit Mitarbeitern der Universitäten Bielefeld und Hamburg, sowie der TU Wien schickten die MPQ-Forscher einen extrem ultravioletten Lichtpuls von 300-Attosekunden Dauer sowie einen Infrarot-Laserpuls aus wenigen, gut kontrollierten Schwingungen des elektrischen Feldes, auf die Oberfläche eines Wolfram-Kristalls.
Wettrennen zweier Elektronensorten
Der Attosekunden-Puls dringt in den Kristall ein. Dort werden einige der im Puls transportierten Lichtpartikel, die Photonen, absorbiert, wodurch sowohl lose gebundene Elektronen, die für die Leitung des elektrischen Stroms verantwortlich sind, als auch fest im Rumpf der Kristallatome gebundenen Elektronen freigesetzt werden. Beide Arten von Elektronen werden gleichzeitig angeregt, und eilen danach mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus einer Tiefe von einigen Atomlagen an die Oberfläche. Die Leitungselektronen bewegen sich schneller fort als die Rumpfelektronen.
Sobald die Elektronen an der Oberfläche angekommen sind, wird ihre ursprüngliche Geschwindigkeit durch das elektrische Feld des Laserpulses modifiziert, und diese Änderung kann mit einem Flugzeit-Detektor nachgewiesen werden. Da sich die Feldstärke des Laserpulses extrem schnell mit der Zeit ändert, hängt die Höhe der Geschwindigkeitsänderung empfindlich vom Zeitpunkt ab, zu dem die Elektronen die Oberfläche erreichen.
Leitungselektronen doppelt so schnell
Das ultraschnell oszillierende Laserfeld dient – indem es die Elektronengeschwindigkeit kontrolliert verändert – als eine Art Attosekunden-Stoppuhr, mit der das MPQ-Forscherteam feststellen konnte, dass die Leitungselektronen etwa 110 Attosekunden früher als die Rumpfelektronen die „Ziellinie“ (nämlich die Kristalloberfläche) erreichen. Daraus folgt, dass die freigesetzten Leitungselektronen sich innerhalb des Kristalls doppelt so schnell bewegen wie die aus den Atomrümpfen herausgerissenen Elektronen.
Das MPQ Experiment demonstriert die technische Möglichkeit, elektrischen Ladunsgtransport durch Atomlagen eines Festkörpers in Echtzeit zu beobachten.
Der Einsatz der Attosekundenmesstechnik zur Echtzeitbeobachtung des Elektronentransports durch atomare Strukturen ebnet den Weg zur Entwicklung der ultraschnellen Schaltkreise der Zukunft, in denen die Richtung des elektrischen Stromes Tausend bis Hundert Tausend Mal schneller geändert werden kann, als in den schnellsten Mikrochips der Gegenwart.
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 25.10.2007 – NPO)
