Die technologische Entwicklung im Bereich der Computerhardware hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, doch die Geschwindigkeit traditioneller Halbleiterbauelemente stößt mittlerweile an fundamentale Grenzen. Das Team um den Physiker Mohammed Hassan von der University of Arizona hat nun einen Durchbruch erzielt, der das Potenzial besitzt, diese Grenzen weit zu überschreiten. Mit der Entwicklung des weltweit ersten Phototransistors, der im Petahertz-Bereich operiert und dabei bei Raumtemperatur und unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen funktioniert, eröffnen sich neue Dimensionen für die digitale Informationsverarbeitung. Transistoren sind die Grundbausteine der heutigen Elektronik. Sie wirken als Schalter oder Verstärker und kontrollieren den elektrischen Stromfluss in Chips, die wiederum die Grundlage von Computern, Smartphones und vielen anderen Geräten bilden.
Die Entwicklung immer schnellerer Transistoren ist entscheidend für eine Erhöhung der Rechengeschwindigkeit und Leistungsfähigkeit dieser Geräte. Bislang arbeiteten moderne Transistoren im Gigahertz-Bereich, das heißt sie konnten Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde ausführen. Die Forschung von Hassan und seinem Team durchbricht diese Schwelle jedoch um ein Vielfaches: Petahertz bedeutet eine Frequenz von 10^15 Hertz, also eine Billiarde Schaltvorgänge pro Sekunde – eine Geschwindigkeit, die tausend Mal höher ist als die der heute schnellsten Computerchips. Das Herzstück dieses Durchbruchs bildet der Einsatz von Graphen, einem zweidimensionalen Material, das aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen besteht. Graphen besticht durch seine erstaunlichen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Unter Laserlicht zeigt es ein ungewöhnliches Verhalten von Elektronen, das von den Forschern genutzt wurde.
Wenn ein Laser mit winzigen Pulsen auf Graphen trifft, werden Elektronen angeregt und beginnen, sich zu bewegen, was zu einem elektrischen Strom führen kann. Üblicherweise gleichen sich Ströme, die auf entgegengesetzten Seiten des Graphens entstehen, gegenseitig aus, da seine symmetrische Atomstruktur dies bedingt. Durch gezielte Modifikation der Graphenproben mit einer speziellen Siliziumschicht gelang es dem Team, einen quantenmechanischen Effekt zu erzielen, der als Elektronentunneln bezeichnet wird. Dieses Phänomen ermöglicht es Elektronen, Barrieren nahezu augenblicklich zu durchdringen, ohne wie in klassischen Modellen dafür Energie aufwenden zu müssen. Diese selten beobachtete ultraschnelle Bewegung der Elektronen wurde erst mit der präzisen Steuerung ultraschneller Laserpulse sichtbar gemacht. Die verwendete Laserquelle sendet Impulse aus, die lediglich 638 Attosekunden dauern.
Ein Attosekunde entspricht einem Quintel einer Billiardstel Sekunde, was nahezu an der Grenze menschlicher Vorstellungskraft liegt. Die Kombination aus einem handelsüblichen Graphen-Phototransistor, der entsprechend modifiziert wurde, und den extrem kurzen Lichtpulsen bildet die Grundlage für den neuartigen Phototransistor, der Geschwindigkeiten im Petahertz-Bereich erreicht. Beeindruckenderweise funktioniert dieses Gerät unter Standardbedingungen, also bei Raumtemperatur und ohne das Bedürfnis spezieller Vakuumkammern oder tiefer Temperaturen, wie es bei manchen Quantencomputern der Fall ist. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, da sie eine zukünftige Kommerzialisierung und Integration in bestehende elektronische Systeme wahrscheinlicher macht. Die Aussicht, Computerhardware zu entwickeln, die die Softwareentwicklung in Sachen Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit deutlich übertrifft, ist ein wesentlicher Motivationsfaktor für die Forscher.
Während sich Softwareprogramme wie künstliche Intelligenz, Datenanalyse und Simulationen rasant weiterentwickeln, hinkt die Hardware oft hinterher. Die Erfindung solcher ultraschneller Transistoren könnte die Lücke zwischen Softwareentwicklungen und Hardwarekapazitäten schließen beziehungsweise sogar neu definieren. Die möglichen Anwendungen gehen weit über schnellere Computer hinaus. Ultrafast Computing könnte bahnbrechende Fortschritte in der medizinischen Forschung ermöglichen, indem es komplexe Molekülstrukturen in Echtzeit analysiert oder in der Weltraumforschung die Verarbeitung großer Datenmengen beschleunigt. Auch in chemischen Reaktionen und Materialwissenschaften ergeben sich neue Perspektiven durch die Möglichkeit, hochkomplexe Vorgänge auf atomarer Ebene zeitlich detailliert zu verfolgen und zu steuern.
Die Forschungsgruppe an der University of Arizona arbeitet bereits mit Tech Launch Arizona zusammen, um den Weg von der Laborexperiment zur marktfähigen Technologie zu ebnen. Die Herausforderung besteht nun darin, die spezielle Lasertechnologie, die im Rahmen der Studie verwendet wurde, durch erschwingliche und in großem Maßstab verfügbare Komponenten zu ersetzen, um den Phototransistor für industrielle Anwendungen und Elektronikgeräte tauglich zu machen. Dieser Innovationsprozess erfordert zudem eine enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen, um den Übergang von der experimentellen Physik zur angewandten Technologie zu meistern. Die University of Arizona hat bereits weltweit Aufmerksamkeit durch die Entwicklung des schnellsten Elektronenmikroskops erlangt und möchte diesen Ruf mit der Einführung des ersten Petahertz-Transistors weiter festigen.
Zusammenfassend stellt die Entwicklung eines Phototransistors mit Petahertz Geschwindigkeit bei normalen Umgebungsbedingungen einen Meilenstein in der Halbleiterforschung dar. Die Kombination aus Quanteneffekten, modernsten Laserpulse-Technologien und dem außergewöhnlichen Material Graphen eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Datenverarbeitung und Elektronik. Während die kommerzielle Nutzung noch ihre Zeit benötigt, hat dieses Projekt den Weg für eine neue Ära der ultraschnellen Computerhardware geebnet, die die Art und Weise, wie wir mit Daten umgehen, revolutionieren könnte.
