27.10.2016 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Elektrischer Strom im Rekordtempo

Wissenschaftler erzeugen die schnellsten jemals gemessenen elektrischen Ströme in Festkörpern

In der Elektronik gilt: Je kleiner, desto schneller. Manche Bauteile von Computern oder Mobilfunkgeräten sind heute jedoch so winzig, dass sie nur noch aus einer Handvoll von Atomen bestehen. Viel weiter verkleinern lassen sie sich also nicht mehr. Ein anderer wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte, ist die Geschwindigkeit, mit der die elektrischen Ströme schwingen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben nun Ströme erzeugt, die die Frequenz des sichtbaren Lichtes um mehr als das Zehnfache übertreffen. Dabei haben sie Elektronen von Siliziumdioxid mit kurzen Laserpulsen zum Schwingen gebracht. Die Leitfähigkeit des normalerweise isolierend wirkenden Materials stieg so um mehr als 19 Größenordnungen.

Seit mehr als hundert Jahren wollen Wissenschaftler konventionelle Stromquellen wie Batterien durch Licht ersetzen und so elektrische Ströme in Festkörpern erzeugen. Der Versuch, in Festkörpern durch Lichteinstrahlung elektrische Ströme hervorzurufen, blieb aber jahrzehntelang erfolglos. „Inzwischen können wir aber mit Lasern Materie immer besser kontrollieren und Lichtfelder immer genauer messen“, erklärt Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Forschungsgruppe Attoelectronics am Garchinger Max-Planck-Institut.

Konventionelle elektronische Techniken können so schnelle elektrische Ströme weder erzeugen noch erfassen, denn in herkömmlichen Schaltkreisen werden die Elektronen von dem elektrischen Feld der Stromquellen, etwa Batterien, zu Schwingungen angestoßen. Auch wenn alle Elektronen anfangs der Kraft des Batteriefeldes folgen, stoßen sie gelegentlich mit langsameren Teilchen wie Atomen oder Ionen zusammen und verlieren dadurch ihre Synchronizität. Von intensiven Lichtfeldern dagegen werden die Elektronen in extrem kurzer Zeit beschleunigt. Deshalb geraten sie in Schwingungen und erzeugen elektrischen Strom, bevor ihnen andere Teilchen in die Quere kommen.

Die Forscher haben deshalb Laser für die Stromerzeugung verwendet. Diese können die Elektronen in Festkörpern in extrem schnelle Schwingungen versetzen. „Auch für die Messung der schnellen elektronischen Bewegung benutzen wir optische Techniken: Die im Siliziumdioxid synchron schwingenden Elektronen erzeugen nämlich extreme Ultraviolett-Strahlung. Es ist leichter, diese Strahlung zu messen als die Ströme direkt nachzuweisen“, sagt Manish Garg, einer der Autoren der Studie.

Die so nachgewiesenen Ströme sind etwa eine Million mal schneller als die in einem gängigen modernen Computerprozessor. Die Forscher wollen mit ihren Untersuchungen einerseits die physikalischen Grenzen ausloten. „Wenn sich Elektronen kohärent bewegen, strahlen sie Licht ab. Licht wiederum spielt in der Photonik die Schlüsselrolle. Deshalb können wir vielleicht zwei wichtige Bereiche der modernen Wissenschaft vereinigen: die Elektronik und die Photonik“, sagt Goulielmakis. Gleichzeitig könnte der Ansatz der Wissenschaftler den Weg für elektronische Geräte ebnen, die eine Million mal schneller als heutige sind.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Strom
  • Elektronik
  • MPI für Quantenoptik
Mehr über MPI für Quantenoptik
  • News

    Leistungsstärkstes Dual-Comb-Spektrometer entwickelt

    Forschende der Professur für Lasertechnologie und Spektroskopie sowie vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik München und der Ludwig-Maximilians Universität München haben das weltweit leistungsstärkste Dual-Comb-Spektrometer entwickelt, das den Weg für viele Anwendungen in der Atmosphärenf ... mehr

    Es tut sich was auf den Nanoteilchen

    Starke elektromagnetische Felder auf Nanopartikeln zu kontrollieren ist der Schlüssel, um auf deren Oberflächen gezielt molekulare Reaktionen auszulösen. Eine solche Kontrolle über Starkfelder erreicht man über Laserlicht. Zwar wurden in der Vergangenheit eine laserinduzierte Entstehung und ... mehr

    Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde

    Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ist es gelungen, die Quantenelektrodynamik mit bis dahin unerreichter Genauigkeit auf 13 Nachkommastellen zu testen. Die neue Messung des 1S-3S Übergangs im atomaren Wasserstoff ergibt einen Protonenradius fast doppelt so genau ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für Quantenoptik

    Die Wechselwirkung von Licht und Materie unter extrem kontrollierten Bedingungen ist das gemeinsame Kennzeichen der fünf wissenschaftlichen Abteilungen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Die Abt. Laserspektroskopie befasst sich mit der hochpräzisen Vermessung der Spektrallinien von Wa ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Ein Desinfektionsmittel im Bereich des galaktischen Zentrums

    Einer internationalen Forschergruppe unter der Leitung von Arnaud Belloche (MPIfR Bonn) ist der erstmalige Nachweis des Moleküls Iso-Propanol im gelungen, einer auf der Erde als Desinfektionsmittel verwendeten Substanz. Iso-Propanol ist das größte bisher im Weltraum entdeckte Alkoholmolekül ... mehr

    Neuartige Exzitonen mit hybrider Dimensionalität in geschichtetem Siliziumdiphosphid

    Forscher*innen an der Nanjing University und der Beihang University in China sowie dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg ist es gelungen, durch gezielte Kontrolle der strukturellen Eigenschaften von Siliziumdiphosphid (SiP₂) neuartige Exzitonen mit h ... mehr

    Natürlicher Superkleber aus heimischen Mistelbeeren

    Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) und der McGill Universität in Kanada entdeckt starke Klebeeigenschaften der Weißbeerigen Mistel. Die flexiblen Fasern der Mistelbeere haften sowohl an Haut und Knorpel als auch an verschiedenen syntheti ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr