• IT-Karriere:
  • Services:

Transistoren: Rechnen nach dem Schmetterlingsflügel-Prinzip

Photonische Kristalle sollen in Zukunft die trägen und energiehungrigen Transistoren ersetzen. Die Kristalle funktionieren wie die Oberfläche von Schmetterlingsflügeln.

Artikel veröffentlicht am , Matthias Matting
Photonische Kristalle sollen wie die Oberfläche von Schmetterlingsflügeln funktionieren.
Photonische Kristalle sollen wie die Oberfläche von Schmetterlingsflügeln funktionieren. (Bild: Joe Klamar/Getty Images)

Als Trägermedium für Informationen hat Licht gegenüber Elektronen eine Menge Vorteile: Es gibt kein Teilchen, das sich schneller bewegt als ein Photon. Licht hat weniger Wechselwirkungen als Elektronen mit der Umgebung und mit sich selbst. Elektronen sind zwar an sich schon winzig, doch Lichtteilchen brauchen zur Ausbreitung noch weniger Raum - und vor allem auch weniger Energie. Computer aus optischen Strukturen zu konstruieren, verspricht daher erhebliche Fortschritte. Allerdings fehlen Forschern und Industrie noch manche der Komponenten, die einen Computer ausmachen, und der fertigungstechnische Umgang mit Silizium funktioniert inzwischen derart perfekt, dass der Umstieg auf andere Technologien wie optische oder Quanten-Computer von Jahrzehnt zu Jahrzehnt verschoben wird.

Stellenmarkt
  1. THD - Technische Hochschule Deggendorf, Freyung
  2. SWR Südwestrundfunk Anstalt des öffentlichen Rechts, Baden-Baden

Dieser Paradigmenwechsel scheint näher zu rücken. Im Fachmagazin Applied Physics Letters stellen Forscher der Züricher EPFL jetzt beispielsweise eine dem Transistor vergleichbare Struktur mit einer außergewöhnlich hohen Güte vor, die mit kleinsten Abmessungen herzustellen ist. Ihre auf den Prinzipien eines photonischen Kristalls beruhende Nano-Kavität ist im Grunde ein Loch - ein (zweidimensionales) Loch, das in der Lage ist, Photonen zu speichern wie das Gate eines Transistors.

Dass photonische Kristalle existieren, weiß man erst seit Ende der neunziger Jahre. Sie übertragen das Prinzip der Bandlücke vom Transistor in die Welt der Optik. Elektronische Halbleiter wären ohne Bandlücke nicht denkbar; in der Elektronik bezeichnet die Bandlücke all die Energieniveaus in einem Kristall, in denen sich Elektronen nicht aufhalten beziehungsweise nicht bewegen können. Ein photonischer Kristall ist nur in dem Sinne ein Kristall, dass er ebenfalls eine Bandlücke besitzt, eben für Photonen statt für Elektronen.

Das Prinzip der Natur nutzen

In einem photonischen Kristall kann sich Licht bestimmter Wellenlängen also unabhängig von seiner Bewegungsrichtung nicht ausbreiten. Damit gewinnen Ingenieure die Fähigkeit, Licht (das sich ansonsten stets geradlinig ausbreitet) durch einen Festkörper zu leiten. In der Natur gibt es dieses Prinzip ebenfalls: Dass Schmetterlingsflügel Licht in irisierender Form spiegeln, beruht zum Beispiel darauf. Auch das Farbenspiel des Opals wird von - allerdings nicht perfekt umgesetzten - periodischen Strukturen erzeugt, die mit photonischen Kristallen vergleichbar sind.

Damit ein Feststoff in dieser Weise nutzbar ist, muss man ihm im Labor ähnliche Strukturen aufprägen. Das klingt leichter, als es ist, denn für welche Wellenlängen des Lichts die Bandlücke entsteht, ist von der Strukturgröße abhängig. Bei den allerersten photonischen Kristallen haben die Forscher Millimeterlöcher in einen Keramikblock gebohrt; das Ergebnis war eine Bandlücke im Zentimeterbereich. Inzwischen ist man allerdings tatsächlich im Nanometerbereich angekommen, also bei den Wellenlängen sichtbaren Lichts. Erste Anwendungen photonischer Kristalle werden kommerziell vertrieben: So verbessern diese die gerichtete Abstrahlung einer Antenne, indem in unerwünschten Bereichen photonische Kristalle platziert werden, die die elektromagnetischen Wellen dort zuverlässig und selektiv abschirmen. Aus photonischen Kristallen lässt sich auch das weißeste Weiß herstellen: Eine Farbe, die wirklich jeden Lichtstrahl reflektiert.

Damit eine Ablösung des Transistors denkbar wird, ist allerdings eine Verbindung zur Silizium-Technik nötig. So befindet sich die winzige optische Kavität der EPFL-Forscher in einer Siliziumschicht auf einem Siliziumdioxid-Trägermaterial, wie man das von elektronischen Transistoren kennt. Dabei ist die Herstellung so gut gelungen, dass sich Photonen in der Struktur bis zu 500.000 Mal hin- und herbewegen (das ist der sogenannte Q-Faktor), bevor sie entkommen. Die Kavität funktioniert damit ähnlich wie das Gate eines Transistors, das sich von außen schalten lässt - und zwar mit einer extrem niedrigen Schaltleistung.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed


Anzeige
Spiele-Angebote
  1. (u. a. Star Wars: Squadrons für 29,99€, Star Wars Jedi: Fallen Order für 29,99€, Star Wars...
  2. 21,99€
  3. 15,49€

Zwangsangemeldet 13. Sep 2014

Ja, ich hab mir auch gedacht: "OK, dann braucht es sicher keine 350 Jahre mehr dafür"...

Pwnie2012 13. Sep 2014

Ja, aber der "Volksmund" versteht unter einem transistor den BJT. Das sieht man auch im...

Subsessor 12. Sep 2014

Danke, das hat mir den Tag gerettet. :D


Folgen Sie uns
       


Cyberpunk 2077 angespielt

Cyberpunk 2077 dürfte ein angenehm forderndes und im positiven Sinne komplexes Abenteuer werden.

Cyberpunk 2077 angespielt Video aufrufen
Mobilfunk: UMTS-Versteigerungstaktik wird mit Nobelpreis ausgezeichnet
Mobilfunk
UMTS-Versteigerungstaktik wird mit Nobelpreis ausgezeichnet

Sie haben Deutschland zum Mobilfunk-Entwicklungsland gemacht und wurden heute mit dem Nobelpreis ausgezeichnet: die Auktionstheorien von Paul R. Milgrom und Robert B. Wilson.
Ein IMHO von Frank Wunderlich-Pfeiffer

  1. Coronakrise Deutsche Urlaubsregionen verzeichnen starke Mobilfunknutzung
  2. LTE Telekom benennt weitere Gewinner von "Wir jagen Funklöcher"
  3. Mobilfunk Rufnummernportierung darf maximal 7 Euro kosten

Watch SE im Test: Apples gelungene Smartwatch-Alternative
Watch SE im Test
Apples gelungene Smartwatch-Alternative

Mit der Watch SE bietet Apple erstmals parallel zum Topmodell eine zweite, günstigere Smartwatch an. Die Watch SE eignet sich unter anderem für Nutzer, die auf die Blutsauerstoffmessung verzichten können.
Ein Test von Tobias Költzsch

  1. Apple WatchOS 7.0.3 behebt Reboot-Probleme der Apple Watch 3
  2. Series 6 im Test Die Apple Watch zwischen Sport, Schlaf und Sättigung
  3. Apple empfiehlt Neuinstallation Probleme mit WatchOS 7 und Apple Watch lösbar

Artemis Accords: Mondverträge mit bitterem Beigeschmack
Artemis Accords
Mondverträge mit bitterem Beigeschmack

"Sicherheitszonen" zum Rohstoffabbau auf dem Mond, das Militär darf tun, was es will, Machtfragen werden nicht geklärt, der Weltraumvertrag wird gebrochen.
Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

  1. Artemis Nasa engagiert Nokia für LTE-Netz auf dem Mond

    •  /