Magnetit und Laser Weltrekord-Switch schaltet in einer billionstel Sekunde

Redakteur: Peter Koller

Schalter für elektrischen Strom bilden die Grundlage für die gesamte digitale Elektronik. Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory der USA haben nun ermittelt, wo das Tempolimit für Schalter liegt.

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Die soft X-ray Materials Science (SXR) experimental station am SLAC: Hier wurden die Experimente mit Magnetit durchgeführt.
Die soft X-ray Materials Science (SXR) experimental station am SLAC: Hier wurden die Experimente mit Magnetit durchgeführt.
(Brad Plummer/SLAC)

Die Wissenschaftler beschossen Proben des aus Eisen und Sauerstoff bestehenden Minerals Magnetit zunächst mit Laser-Impulsen im sichtbaren Bereich, kurz darauf mit extrem starken Röntgenlaser-Blitzen. Dabei konnten sie messen, dass es nur eine billionstel Sekunde dauerte, um das Material von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand und umgekehrt zu bringen. „Dieser Durchbruch hat uns quasi zum ersten Mal das Tempolimit für den Schaltprozess in einem bestimmten Material verraten“, so Roopali Kukreja, der Hauptautor der entsprechenden Studie.

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Die ermittelte Schaltzeit ist laut den Wissenschaftler etwa um den Faktor 1000 schneller als die Schaltzeiten selbst der schnellsten aktuell in Prozessoren verwendeten Transistoren. Vielleicht noch wichtiger aber war, dass die Wissenschaftler bei ihren Experimenten die Vorgänge beim Schalten in dem Material beobachten konnten. Bereits nach einigen Hundert billiardstel Sekunden entstehen nämlich in dem zu diesem Zeitpunkt noch leitenden Material nicht-leitende Inseln. Die damit nachgewiesene Koexistenz von leitenden und nicht-leitenden Bereich in dem Material könnte somit sogar zu noch schneller schaltenden Elementen in künftigen Prozessoren führen.

Ihre Tests haben die Wissenschaftler an Magnetit-Proben durchgeführt, die auf rund –190 Grad abgekühlt waren. Nach eigener Aussage haben sie aber bereits ein nicht näher spezifiziertes "Hybrid-Material" identifiziert, das vergleichbare Schaltgeschwindigkeiten bei annähernd Raumtemperatur zeigt.

Hermann Dürr, Senior Staff Scientist am Stanford Institute for Material and Energy Science und Leiter der Forschungsgruppe: „Weltweit sind große Bestrebungen im Gange, eine Elektronik jenseits der heute dominierenden Halbleitertechnologien zu entwickeln. Unsere Forschung zeigt, dass mit alternativen Materialien entsprechende Prozesse in billionstel und billiardstel Sekunden möglich sind.“ An der Forschungsarbeit beteiligt waren auch mehrere deutsche Institute wie das Helmholtz-Zentrum Berlin und das Center for Free Electron Laser Science der Universität Hamburg.

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