Speedlimit für Computer: Bei einer Million Gigahertz ist Schluss

Die Maximalgeschwindigkeit der Signalübertragung in Mikrochips liegt bei etwa einem Petahertz (eine Million Gigahertz) und ist damit etwa 100.000 Mal schneller als derzeitige Transistoren. Diese Erkenntnis veröffentlichen Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universitäten Wien und Graz aktuell im Fachjournal „Nature Communications“.

Die Mikroelektronik verfolgt zwei Ansätze, um Computer schneller zu machen: Einerseits werden die Bauteile immer kleiner, damit die Datenübertragung durch kürzere Signalwege buchstäblich nicht so lange braucht. Die physikalische Grenze dieser Miniaturisierung liegt bei der Größe eines Atoms, kleiner kann ein Schaltkreis nicht sein. Die zweite Möglichkeit für eine schnellere Datenübertragung liegt darin, die Schaltsignale von Transistoren per se zu beschleunigen. Hier setzte die Forschung der deutsch-österreichischen Physikergruppe an.

Hochfrequentes Licht boostet Geschwindigkeit

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. Irgendwann kommen wir so in den Bereich der Lichtfrequenz, die auch als elektromagnetisches Signal betrachtet beziehungsweise dienen kann.“ Das geschieht etwa in der Optoelektronik, wo Licht im Halbleiter die Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband anregt, damit der Halbleiter vom isolierten in den leitenden Zustand wechselt. Die Anregungsenergie ist dabei vom Halbleitermaterial selbst bestimmt und liegt im Frequenzbereich von infrarotem Licht, was schlussendlich auch der maximal erreichbaren Geschwindigkeit entspricht, die mit solchen Materialien erreichbar ist.
Dielektrische Materialien wie 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 kaputt zu gehen. Der Ausweg der Forschungsgruppe: Die Spannung beziehungsweise die Schaltfrequenz so kurz zu halten, dass das Material gar keine Zeit hat, um zu brechen.

Der richtige Puls liefert Antworten

Konkret verwendeten die Physiker*innen einen ultrakurzen Laserpuls mit einer Frequenz im extremen UV-Bereich und beschossen damit 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, den Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektieren konnten. 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 das nächste Signal verkraftet. „Daraus ergibt sich, dass bei etwa einem Petahertz eine Obergrenze für kontrollierte optoelektronische Prozesse liegt“, berichtet Schultze. Deshalb lassen sich zwar noch keine Computerchips mit einer Taktfrequenz von knapp einem Petahertz herstellen. Fest steht aber: Schneller als die Untersuchungen gezeigt haben, wird Optoelektronik vorerst nicht werden.