Faszination Technik Die Erzeugung des bisher kürzesten Elektronenpulses

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Universität Rostock

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Erzeugung und Messung der kürzesten möglichen Strömungsdauer von Elektronen aus einer winzigen Metallleitung mithilfe ultrakurzer Lichtblitze.

Die Geschwindigkeit von elektronischen Geräten wird von der Dauer bestimmt, die die Elektronen benötigen, um aus winzigen Kontakten im Inneren der Transistoren elektronischer Mikrochips zu strömen. Für die Weiterentwicklung der Elektronik und ihrer Anwendungen bis an die ultimativen Grenzen der Leistungsfähigkeit, ist die Beschleunigung dieses Prozesses von zentraler Bedeutung. Doch was ist die kürzeste mögliche Strömungsdauer von Elektronen aus einer winzigen Metallleitung in einem elektronischen Schaltkreis? Dieser Frage sind ein Forscherteam um Professor Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Arbeitsgruppe Extreme Photonik am Institut für Physik der Universität Rostock, und Mitarbeitende des Max-Planck-Instituts für Festkörperphysik in Stuttgart nachgegangen.

Extrem kurze Lichtblitze schleudern Elektronen ins Vakuum

Mit extrem kurzen Lichtblitzen, erzeugt mittels modernster Lasertechnologie, haben die Forschenden Elektronen aus einer Wolfram-Nanospitze herausgeschossen und so den bisher kürzesten Elektronenpuls erzeugt. Die Dauer beträgt nur 53 Attosekunden, also 53 Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Dabei nutzten die Wissenschaftler die Technologie der so genannten Lichtfeldsynthese. Diese ermöglicht es, einen Lichtblitz auf weniger als eine volle Schwingung seines eigenen Feldes zu verkürzen. Mit solchen Lichtblitzen beschossen die Forscher die Spitze einer winzigen Wolframnadel um Elektronen ins Vakuum zu schleudern.

Pulsdauer wird mit spezieller Kamera bestimmt

Die Erzeugung der bisher kürzesten Elektronenpulse kann jedoch nur gemeistert werden, wenn auch die Dauer der erzeugten Pulse bestimmt werden kann. Dazu entwickelte das Team eine neuartige Kamera, die Schnappschüsse der Elektronen während jener ultrakurzen Zeitspanne machen kann, in der sie durch den Laser aus der Nanospitze ins Vakuum befördert werden. Dafür war ein zweiter, sehr schwacher Lichtblitz nötig. Er modifiziert die Energie des erzeugten Elektronenpulses leicht, sodass die Forscher herausfinden können, wie er im Laufe der Zeit aussah.

Zukünftige Elektronik könnte tausendfach schneller sein

Die Forschungsarbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Verbesserung der Leistung von Elektronik und Informationstechnologien sowie für die Entwicklung neuer wissenschaftlicher Methoden zur Visualisierung von Phänomenen im Mikrokosmos bei ultimativen Geschwindigkeiten. „Da moderne Technologien schnell voranschreiten, ist zu erwarten, dass zukünftig mikroskopisch kleine elektronische Schaltkreise entwickelt werden, in denen sich die Elektronen im Vakuum zwischen dicht gepackten Leitungen bewegen, um so Hindernisse zu vermeiden, die sie verlangsamen“, so Goulielmakis. „Die Verwendung von Licht, um Elektronen aus diesen Leitungen herauszulösen und zwischen ihnen zu bewegen, könnte die zukünftige Elektronik um das Tausendfache ihrer heutigen Geschwindigkeit beschleunigen“.

Die neu entwickelte Methodik kann auch unmittelbar wissenschaftlich genutzt werden. Dazu Goulielmakis: „Da unsere Elektronenpulse eine hervorragende Auflösung für Schnappschüsse elektronischer und atomarer Bewegungen in Materialien bieten, wollen wir sie zu nutzen, um ein tiefes Verständnis komplexer Materialien zu erlangen und so deren Anwendung für zukünftige Technologien zu erleichtern.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Nature

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