Ultraschneller neuartiger Elektronenschalter ist schneller als ein Transistor

Bis zu eine Million Mal schneller als die Transistoren in modernen Mikrochips – so schnell ist ein neuer Elektronenschalter, der auf Fullerene basiert, wie Forscher:innen in einem Experiment mit den Hohlkugeln aus Kohlenstoffatomen zeigen konnten. Dabei wird das Fulleren mit gezielten Laserimpulsen konfrontiert, die seinen elektrochemischen Zustand ändern. In Folge werden Elektronen entweder abgelenkt oder fliegen weiter. Solche Schalter könnten in Zukunft theoretisch deutlich schnellere und leistungsfähigere Mikroelektronik ermöglichen.

Buckminster-Fulleren als Schalter

Kohlenstoff ist nicht nur der Grundbaustein des Lebens, sondern kann auch zahlreiche Strukturvarianten bilden – etwa als Diamanten, als Graphen oder in Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Eine weitere Form von Kohlenstoff sind die sogenannten Buckminster-Fullerene. Dabei handelt es sich um Hohlkugeln, die aus 60 Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem Gitter aus Fünf- und Sechsecken angeordnet sind. Sie werden als vielversprechende Katalysatoren gesehen und können außerdem als Halbleiter in organischen Solarzellen fungieren.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die Buckminster-Fullerene hat nun ein Team aus Physiker:innen rund um Hirofumi Yanagisawa von der Universität Tokio gefunden. Die Forscher:innen hatten bereits vorher festgestellt, dass Fullerene Elektronen in bestimmten Mustern emittieren, wenn man sie auf eine dünne Spitze aus Metall aufbringt und dann einem elektronischen Feld aussetzt. In einem weiteren Experiment nutzte das Team dann ultrakurze Laserimpulse, mit deren Hilfe der Anregungszustand und die Orientierung der Fullerene beeinflusst werden konnte.

Erstaunliche Geschwindigkeit

Das von dem Laser angeregte Fulleren verhielt sich dann wie ein Schalter, wie sich herausstellte. Eintreffende Elektronen wurden je nach Lichtpuls entweder kontrolliert umgelenkt oder aber unabgelenkt durchgelassen. „Damit können wir kontrollieren, wie das Molekül eintreffende Elektronen steuert„, so Yanagisawa. Das Fulleren arbeitet in diesem Zustand ähnlich wie ein als Schalter eingesetzter Transistor – nur dass es eben deutlich kleiner ist.

Wichtiger jedoch ist die Tatsache, dass der Schaltvorgang enorm schnell durchgeführt wird. Das Fulleren schaltete die Elektronen im Experiment um mehrere Größenordnungen schneller als herkömmliche Transistoren. „Wir könnten mit dem Fulleren eine Schaltgeschwindigkeit erreichen, die eine Million Mal höher ist als bei einem klassischen Transistor„, erklärt Yanagisawa weiter. Elektrische Schaltkreise könnten so in Zukunft kleiner und schneller werden.

„Genauso wichtig ist jedoch, dass wir das Fulleren durch gezielte Laserpulse dazu bringen könnten, mehrere Schaltvorgänge gleichzeitig durchzuführen. Das ist dann, als hätte man mehrere mikroskopisch kleine Transistoren in nur einem Molekül vereint„, fährt der Physiker fort.

Neuartige Mikroelektronik

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass ihre Fulleren-Schalter neue Möglichkeiten eröffnen, Computer und andere Elektronik schneller und gleichzeitig kleiner zu machen. In der Theorie bräuchte es nicht mehr als ein kleines Netzwerk von Fullerenschaltern, um mehr Rechenoperationen pro Zeiteinheit durchzuführen als klassische Mikrochips es können. Bis die Technologie in der Praxis eingesetzt werden kann wird allerdings noch einige Zeit vergehen. Denn neben den Schaltern selber muss dafür auch der Laser, der zum Schalten benötigt wird, miniaturisiert und in die Mikrochips integriert werden.

via University of Tokyo