Die computergenerierte Illustration der ultraschnellen Elektronenbewegungen zeigt die Schwingungsdauer des Laserpulses zusammen mit den Schwingungen der Elektronen, die noch schneller schwingen können, als das elektrische Feld des Lichts, das sie antreib

„Das ist der schnellste jemals gemessene elektrische Strom“

Auf dem Weg zu schnellerer Elektronik spielt der Elektronenfluss innerhalb eines Stromkreises eine entscheidende Rolle. Mit konventionellen Methoden wie etwa mit Batterien lassen sich Elektronenschwingungen bis in den Gigahertzbereich hinein erzeugen. Mithilfe von ultrakurzen Laserpulsen konnten Forscher nun Elektronen in einem Festkörper auf bis zu acht Billiarden Schwingungen pro Sekunde antreiben – das ist rund eine Millionen Mal schneller als es bislang möglich war. Über ihren Ansatz berichtet das Team in der Fachzeitschrift „Nature“. Welt der Physik sprach mit Eleftherios Goulielmakis vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, der an der Studie beteiligt war.

Welt der Physik: Wie bewegen sich Elektronen in einem konventionellen Stromkreis?

Eleftherios Goulielmakis: Das kann man sich so vorstellen, dass die Elektronen durch elektrische Felder angetrieben werden, die beispielsweise von Batterien erzeugt werden. Wenn man ein statisches Feld anlegt, werden die Elektronen nur in eine Richtung angetrieben, sie fließen. In elektronischen Geräten verwendet man aber Wechselstrom, deshalb schwingen die Elektronen mit einer gewissen Frequenz. In konventionellen elektronischen Geräten können diese Frequenzen bis zu rund hundert Gigahertz betragen, wobei ein Gigahertz einer Milliarde Schwingungen pro Sekunde entspricht.

Porträtfoto des Wissenschaftlers mit Detailaufnahme eines optischen Tisches im Hintergrund
Eleftherios Goulielmakis

Wodurch wird die Geschwindigkeit der Elektronen begrenzt?

Die Elektronen stoßen mit den Atomen und Molekülen im Festkörper, durch den sie sich bewegen, zusammen. Das schränkt ihre Geschwindigkeit ein, denn wenn man versucht, immer schnellere elektrische Felder einzusetzen, kommen die Elektronen praktisch nicht mehr hinterher – und werden langsamer. Deshalb haben Forscher in der Vergangenheit versucht, Festkörper auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlen. Dann sind die Atome quasi eingefroren und die Elektronen können sich einfacher bewegen. Aber auch dieser Effekt ist begrenzt.

Warum wären höhere Geschwindigkeiten der Elektronen wünschenswert?

Da geht es grundlegend um die Frage, wie man elektronische Geräte noch schneller machen könnte. Seit Jahrzehnten stellen Wissenschaftler Stromkreise her, die immer kleiner werden. Dadurch werden die Entfernungen, die die Elektronen zurücklegen müssen, immer kürzer und dadurch wird die Elektronik schneller. Dieser Ansatz hat jahrzehntelang funktioniert, aber jetzt erreicht er seine Grenzen, weil die Elektronik jetzt so dünn ist, dass sie nur wenige Atome durchmisst. Deshalb müssten wir die Elektronen noch schneller dazu bringen, sich so zu bewegen, wie wir das wollen. Denn das ist letztendlich Elektronik: die kontrollierte Bewegung von Elektronen innerhalb eines Festkörpers.

Welchen Ansatz verfolgen Sie, um die Elektronen schneller anzutreiben?

Wir haben Licht verwendet und extrem kurze Laserpulse auf einen Festkörper aus Siliziumdioxid geschickt. Licht ist natürlich auch ein elektrisches Feld, das die Elektronen antreiben kann und sie hin- und herschwingen lässt. Die elektrischen Felder dieser Laserpulse schwingen mit Lichtgeschwindigkeit, und sie können sehr stark sein. Obwohl solche extrem starken Felder einen Festkörper auch zerstören können, funktioniert das in unserem Fall, weil die Felder nur für extrem kurze Zeit so stark sind. Deshalb kann ein Laser Kräfte auf Elektronen ausüben, die etwa zehnmal stärker sind als das, was mit Standardmethoden möglich wäre.

Die computergenerierte Illustration der ultraschnellen Elektronenbewegungen zeigt die Schwingungsdauer des Laserpulses zusammen mit den Schwingungen der Elektronen, die noch schneller schwingen können, als das elektrische Feld des Lichts, das sie antreibt.
Illustration der ultraschnellen Elektronenbewegungen

Welche Frequenzen haben Sie dabei erreicht?

Wir treiben die Elektronen sehr schnell an, und zwar so schnell, dass die viel schwereren Atome gar nicht dazu kommen, sich zu bewegen und dadurch die Elektronenbewegung zu stören. Die Elektronen schwingen dabei nicht nur genauso schnell wie das elektrische Feld des Laserpulses, sondern sogar noch schneller, ihre Reaktion ist also nicht linear. Wir konnten damit Frequenzen von acht Petahertz erreichen, das entspricht acht Billiarden Schwingungen pro Sekunde. Das ist der schnellste jemals gemessene elektrische Strom, und ungefähr eine Million Mal schneller als konventionelle Elektronik.

Wie konnten Sie diesen Strom messen?

Das ist genau der springende Punkt. Genauso wie kein elektronisches Gerät diese hohen Frequenzen erzeugen kann, können wir genauso wenig ein Gerät bauen, dass sie misst. Aber auf unserem Forschungsgebiet der Attosekundenphysik haben wir in den letzten Jahren Techniken entwickeln, mit denen wir die extrem schnellen Schwingungen von elektromagnetischer Strahlung messen können – wohlgemerkt, von Strahlung, nicht von Elektronen. Weil wir die Elektronen im Festkörper so schnell antreiben und viele Elektronen diese Schwingungsbewegungen ausführen, senden die Elektronen selbst Strahlung im extremen Ultraviolettbereich aus. Diese Strahlung enthält alle Geheimnisse der eigentlichen Schwingungsbewegung, und indem wir sie messen, können wir auf die Bewegungen der Elektronen schließen. Das ist für uns der eigentliche Durchbruch.

Handelt es sich dabei um reine Grundlagenforschung oder kann man sich auch schon Anwendungen vorstellen?

Wir betrachten Elektronik aus der Sichtweise eines Physikers. Wir erkunden die Prinzipien und wollen herausfinden, was eigentlich physikalisch möglich ist. Zwar wusste man, dass die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie dazu führt, dass sich Elektronen bewegen. Aber es war viele Jahre nicht klar, dass Laser das wirklich schaffen können und man diese Bewegung auch beobachten kann. Natürlich können wir im Moment keinen Transistor in diesen Kreis schalten, aber das ist die Grundlage, die eines Tages auch zu Anwendungen führen könnte.