Stoppuhr für Elektronen

Physiker loten Tempogrenzen für elektronische Schaltkreise aus

Garching - Mit etwa 5000 Kilometern pro Sekunde rasen Elektronen durch leitfähige Drähte. Die kurzen Strecken zwischen den Metallatomen legen sie innerhalb von Attosekunden zurück; das sind 0,000 000 000 000 000 001 Sekunden. Ein internationales Forscherteam um Ferenc Krausz konnte nun am Max-Planck Institut für Quantenoptik in Garching das Tempo der Elektronen exakt bestimmen. Ihre Messungen, die sie in der Zeitschrift "Nature" veröffentlichen, zeigen, dass Mikrochips prinzipiell bis zu 100.000mal schneller getaktet werden könnten als heute.

"Diese Resultate belegen, dass Attosekunden-Messungen ein gutes Werkzeug sind, um fundamentale elektronische Prozesse in Festkörpern und auf Oberflächen zu untersuchen", berichten die Physiker. Für ihre "Elektronen-Stoppuhr" strahlten die Forscher ultrakurze Pulse (300 Attosekunden Länge) eines extrem ultravioletten Lichts auf ein winziges Stück Wolfram. Dabei werden sowohl freie als auch an Atome gebundene Elektronen so angeregt, dass sie aus dem Metall austreten können.

Mit einem geschickten Aufbau aus einem Infrarot-Laserstrahl und einem Elektronen-Detektor bestimmten Krausz und Kollegen nun die Ankunftszeit der freigesetzten Elektronen. Dabei erreichten die vorher freieren Elektronen, die für die elektrische Leitfähigkeit von Metallen verantwortlich sind, ihr Ziel deutlich vor den zuvor an Atome gebundenen Elektronen. Für den rund einen halben Nanometer großen Abstand zwischen zwei Wolfram-Atomlagen benötigen die schnelleren etwa 110 Attosekunden weniger als die langsameren Elektronen.

Dieses Experiment in Garching soll zunächst die Grundlagen des Elektronentransports in Festkörpern erklären helfen. Doch können die Ergebnisse auch den Weg zur Entwicklung von ultraschnellen Schaltkreisen der Zukunft ebnen. Denn zwei benachbarte Atomlagen bilden den kürzesten möglichen Abstand, zwischen denen Elektronen hin und her geschaltet werden könnten. Die Messungen zeigen nun, dass diese Taktrate maximal 100.000mal kürzer sein könnte als in den schnellsten heute verfügbaren Mikrochips.