Optischer Schalter braucht Billionstel Sekunde

Computer werden laut Forschern des Cavendish Laboratory viel schneller und genügsamer

So sieht der Versuchsaufbau für optische Schalter aus (Foto: Hope Bretscher)

Cambridge (pte021/17.03.2021/12:30)

Physiker am Cavendish Laboratory https://www.phy.cam.ac.uk/, das zur University of Cambridge https://www.cam.ac.uk/ gehört, haben ein Material identifiziert, das Computing mit Licht schneller und energiesparender möglich machen könnte. Zwar gibt es bei optischen Computern schnelle Fortschritte, doch das Ein- und Ausschalten von Licht bereitet immer noch Probleme, was das Tempo angeht. Ein als Ta2NiSe5 bekanntes Material, eine Legierung aus Tantal, Nickel und Selen, schafft einen optischen Schaltprozess in einer Billiardstel Sekunde. Es wechselt in dieser unvorstellbar kurzen Zeit von lichtdurchlässig zu reflektierend, wenn es von einem Laserpuls getroffen wird, der es erhitzt.

[b]Schalttempo erhöht sich um eine Million[/b]

„Wir wussten, dass Ta2NiSe5 beim Erhitzen zwischen lichtdurchlässig und reflektierend wie ein Spiegel wechseln kann, aber das Erhitzen eines Objekts ist normalerweise ein sehr langsamer Prozess", sagt Akshay Rao, Dozent am Cavendish Laboratory, der die Forschung leitet. 

Der Schaltprozess bei anderen Werkstoffen ähnele normalerweise dem Schmelzen eines Eiswürfels, so Rao. „Die Atome wechseln ihre Position und bilden eine neue Ordnung. Das dauert eben." Bei dem neuen Material, das er als exzitonischen Isolator bezeichnet, sei das anders. Da wechselten die Atome beim Phasenwechsel ihre Position nicht. Daher gehe es um ein Vielfaches flotter. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass es sich eine Million Mal schneller umschaltet als es in unseren aktuellen Computern möglich ist", sagt Rao.

[b]Beschuss mit extrem kurzen Laserpulsen[/b]

Ihre Erkenntnisse sammelten Rao und seine Kollegin Hope Bretscher mit Hilfe einer äußerst komplexen Versuchsanordnung. Sie beschossen das Material mit sehr kurzen Laserpulsen. Damit regten sie es energetisch an, sodass es seine Eigenschaften änderte. „Dabei zeigte sich, dass es als ultraschneller optischer Schalter geeignet ist", so Bretscher.

Wenn man die Transparenz des Materials als digitale „Null" festlegt und die Reflexion als „Eins", ist der Schalter praktisch ein optischer Transistor. Damit das Material als Speicher einsetzbar ist muss zwischen den beiden Zuständen extrem schnell gewechselt werden können. Um das zu erreichen ist noch einiges an Forschungsarbeit zu erledigen.

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