{"id":363640,"date":"2022-03-28T09:58:01","date_gmt":"2022-03-28T07:58:01","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?post_type=selected&p=363640"},"modified":"2022-03-28T09:58:01","modified_gmt":"2022-03-28T07:58:01","slug":"speedlimit-fuer-computer-ermittelt","status":"publish","type":"selected","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/selected\/speedlimit-fuer-computer-ermittelt\/","title":{"rendered":"Speedlimit f\u00fcr Computer ermittelt"},"content":{"rendered":"\n

Die Maximalgeschwindigkeit der Signal\u00fcbertragung in Mikrochips liegt bei etwa einem Petahertz (eine Million Gigahertz) und ist damit etwa 100.000 Mal schneller, als es derzeitige Transistoren sind. Diese Erkenntnis ver\u00f6ffentlichen Physiker*innen der Ludwig-Maximilians-Universit\u00e4t<\/a>, des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Quantenoptik<\/a> und der Technischen Universit\u00e4ten Wien<\/a> und Graz<\/a> aktuell im Fachjournal \u201eNature Communications\u201c. Ob Computerchips dieser Maximalkapazit\u00e4t jemals tats\u00e4chlich hergestellt werden k\u00f6nnen, ist allerdings fraglich, so die Technische Universit\u00e4t Graz in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Die Mikroelektronik verfolgt zwei Ans\u00e4tze, um Computer schneller zu machen: Einerseits wird daran gearbeitet, die Bauteile immer mehr zu verkleinern, damit die Daten\u00fcbertragung (Signalweg von A nach B) buchst\u00e4blich \u201enicht so lange braucht\u201c. Die physikalische Grenze dieser Miniaturisierung liegt bei der Gr\u00f6\u00dfe eines Atoms. Kleiner kann ein Schaltkreis physikalisch nicht sein.<\/p>\n\n\n\n

Die zweite M\u00f6glichkeit f\u00fcr eine schnellere Daten\u00fcbertragung liegt darin, die Schaltsignale von Transistoren per se zu beschleunigen. Das sind jene Komponenten in Mikrochips, die den Strom flie\u00dfen lassen, oder ihn blockieren. Hier setzte die Forschung der deutsch-\u00f6sterreichischen Physikergruppe an.<\/p>\n\n\n\n

Geschwindigkeits-Booster<\/h3>\n\n\n\n

Schnell bedeutet in diesem Fall \u201ehochfrequent\u201c, wie der Hauptautor und Leiter des Instituts f\u00fcr Experimentalphysik der TU Graz Martin Schultze erkl\u00e4rt: \u201eJe schneller man werden will, desto hochfrequenter muss das elektromagnetische Signal sein \u2013 und irgendwann kommen wir so in den Bereich der Lichtfrequenz, die auch als elektromagnetisches Signal betrachtet bzw. verwendet werden kann.\u201c Das geschieht beispielsweise in der Optoelektronik, wo Licht daf\u00fcr verwendet wird, um im Halbleiter die Elektronen vom Valenzband (jener Bereich, wo sich die Elektronen normalerweise aufhalten) zum Leitungsband anzuregen, damit er vom isolierten in den leitenden Zustand wechselt. Die Anregungsenergie wird dabei vom Halbleitermaterial selbst bestimmt. Sie liegt im Frequenzbereich von infrarotem Licht, was schlussendlich auch der maximal erreichbaren Geschwindigkeit entspricht, die mit solchen Materialien erreicht werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Speed-Rekorde<\/h3>\n\n\n\n

Dielektrische Materialien (wie z. B. Gl\u00e4ser oder Keramiken) k\u00f6nnten diese Grenzen \u00fcberwinden, da sie verglichen mit Halbleitern viel mehr Energie ben\u00f6tigen, um angeregt zu werden. Mehr Energie erlaubt wiederum den Einsatz von h\u00f6herfrequenterem Licht und damit eine schnellere Daten\u00fcbertragung. Leider aber k\u00f6nnen dielektrische Materialien keinen Strom leiten, ohne kaputt zu gehen, wie Marcus Ossiander, Erstautor der Studie und derzeit Postdoktorand an der Universit\u00e4t Harvard bildhaft erkl\u00e4rt: \u201eWenn Sie beispielsweise ein elektromagnetisches Feld in Glas anlegen, damit dieses Strom leitet, dann ist das Glas hinterher zerbrochen oder hat ein Loch.\u201c
Der Ausweg, den die Forschungsgruppe f\u00fcr ihre Untersuchungen w\u00e4hlte: Die Spannung bzw. die Schaltfrequenz so kurz zu halten, dass das Material gar keine Zeit hat, um zu brechen.<\/p>\n\n\n\n

Antworten<\/h3>\n\n\n\n

Konkret verwendeten die Physiker*innen f\u00fcr ihre Untersuchungen einen ultrakurzen Laserpuls mit einer Frequenz im extremen UV-Bereich. Mit diesem Laserpuls beschossen sie eine Lithiumfluorid-Probe. Lithiumfluorid ist dielektrisch und weist von allen bekannten Materialien die gr\u00f6\u00dfte Bandl\u00fccke auf. Das ist der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband.<\/p>\n\n\n\n

Der ultrakurze Laserpuls brachte die Elektronen im Lithiumfluorid in einen energiereicheren Zustand, sodass sie sich frei bewegen konnten. So wurde das Material kurzfristig zum elektrischen Leiter. Ein zweiter, etwas l\u00e4ngerer Laserpuls steuerte die angeregten Elektronen in eine gew\u00fcnschte Richtung, wodurch ein elektrischer Strom entstand, der dann mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert werden konnte. Die Messungen lieferten Antworten auf die Fragen, wie schnell das Material auf den ultrakurzen Laserpuls reagierte, wie lange die Signalentstehung dauerte und wie lange man warten muss, bis das Material dem n\u00e4chsten Signal ausgesetzt werden kann. \u201eDaraus ergibt sich, dass bei etwa einem Petahertz eine Obergrenze f\u00fcr kontrollierte optoelektronische Prozesse liegt\u201c, sagt Joachim Burgf\u00f6rder vom Institut f\u00fcr Theoretische Physik der TU Wien.<\/p>\n\n\n\n

Das hei\u00dft freilich nicht, dass Computerchips\u00a0mit einer Taktfrequenz von knapp einem Petahertz hergestellt werden k\u00f6nnen. Fest steht aber: Schneller als in den Untersuchungen gezeigt wurde, wird Optoelektronik vorerst nicht werden \u2013 wie nahe zuk\u00fcnftige Technologien an diese Grenze rankommen, steht in den Sternen.<\/p>\n\n\n

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