{"id":373802,"date":"2022-05-13T11:41:43","date_gmt":"2022-05-13T09:41:43","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?post_type=selected&p=373802"},"modified":"2022-05-13T11:41:43","modified_gmt":"2022-05-13T09:41:43","slug":"fau-forscher-nutzen-laser-fuer-superschnelle-signalverarbeitung","status":"publish","type":"selected","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/selected\/fau-forscher-nutzen-laser-fuer-superschnelle-signalverarbeitung\/","title":{"rendered":"FAU-Forscher nutzen Laser f\u00fcr superschnelle Signalverarbeitung"},"content":{"rendered":"\n

Komplexe wissenschaftliche Modelle am Computer simulieren oder gro\u00dfe Datenmengen wie Videomaterial bearbeiten und finalisieren, das beansprucht viel Rechenleistung und dauert. Wissenschaftler vom Lehrstuhl f\u00fcr Laserphysik der FAU konnten gemeinsam mit Kollegen der University of Rochester in New York in einem Experiment erstmals demonstrieren, wie die zugrundeliegenden Rechenoperationen in Zukunft mithilfe von Laserimpulsen bis zu eine Million Mal schneller durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnten. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature ver\u00f6ffentlicht, so FAU in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Verantwortlich f\u00fcr die Geschwindigkeit der Rechenoperation sind in heutigen Computer- und Smartphone-Prozessoren sogenannte Feldeffekttransistoren. Im Wettlauf um schnellere Ger\u00e4te werden diese Transistoren immer weiter verkleinert, um m\u00f6glichst viele nebeneinander zu bauen. So arbeiten Computer heute schon mit atemberaubenden Taktraten von mehreren Gigahertz, also mehreren Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde. Die neusten Transistoren sind nur noch 0,000005 Millimeter gro\u00df, das entspricht nur wenigen Atomen. Viel kleiner geht es nicht mehr.<\/p>\n\n\n\n

Noch schneller geht\u2019s mit Licht<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Deshalb forschen Physikerinnen und Physiker daran, Elektronik \u00fcber Lichtwellen zu kontrollieren. Eine Schwingung einer Lichtwelle dauert nur etwa eine Femtosekunde, das entspricht dem millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde. Elektrische Signale mit Licht zu steuern, k\u00f6nnte die Rechenoperationen zuk\u00fcnftiger Computer eine Million Mal schneller machen als bisher \u2013 das ist das Ziel der Petahertz- oder Lichtwellen-Elektronik.<\/p>\n\n\n\n

Von der Lichtwelle zum Stromimpuls<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Grunds\u00e4tzlich geht es in der Elektronik darum, Signale und Daten in Form von logischen Informationen, also den Zahlen 0 und 1, zu \u00fcbermitteln und zu verarbeiten. Diese Signale k\u00f6nnen zum Beispiel die Form eines Strompulses haben.<\/p>\n\n\n\n

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Lehrstuhls f\u00fcr Laserphysik der FAU besch\u00e4ftigen sich bereits seit mehreren Jahren damit, wie aus Lichtwellen schnelle Stromimpulse werden. Sie richten ultrakurze Laserimpulse auf eine winzige Struktur aus Graphen und Gold-Elektroden. Die Laserimpulse sto\u00dfen die Elektronen im Graphen an, die sich dann wellenartig auf die Gold-Elektroden zubewegen, dort als Stromimpuls gemessen und als Information verarbeitet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Reale und virtuelle Stromimpulse<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Je nachdem wo der Laserimpuls auf der Oberfl\u00e4che auftrifft, breiten sich die Elektronen-Wellen unterschiedlich aus. Dadurch entstehen zwei Arten von Stromimpulsen aus sogenannten realen und virtuellen Ladungstr\u00e4gern.<\/p>\n\n\n\n

\u201eGraphen kann man sich wie einen Pool vorstellen mit den Gold-Elektroden als \u00dcberlaufbecken. Sobald man die Wasseroberfl\u00e4che st\u00f6rt, l\u00e4uft Wasser \u00fcber. Bei realen Ladungstr\u00e4gern wirft man einen Stein in die Mitte des Pools.Das Wasser l\u00e4uft \u00fcber, sobald die entstandene Wasserwelle den Rand erreicht \u2013 wie Elektronen, die ein Laserimpuls in der Mitte des Graphens anregt\u201c, erkl\u00e4rt Tobias Boolakee, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl f\u00fcr Laserphysik. \u201eBei virtuellen Ladungstr\u00e4gern w\u00fcrde man das Wasser direkt am Rand des Pools absch\u00f6pfen, ohne auf eine Welle zu warten. Im Fall der Elektronen passiert das so schnell, dass man es gar nicht wahrnehmen kann, deshalb auch virtuelle Ladungstr\u00e4ger. Der Laserpuls w\u00e4re bei diesem Bild an den Rand des Graphens direkt neben die Gold-Elektrode gerichtet.\u201c Diese zwei Arten von messbaren Stromimpulsen k\u00f6nnen logischen Informationen in Form von 0 und 1 zugeordnet werden.<\/p>\n\n\n\n

Logik durch Laser<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Die Laserphysiker der FAU konnten nun im Experiment erstmals zeigen, dass man mit dieser Methode ein logisches Gatter \u2013 das Schl\u00fcsselelement f\u00fcr Rechenoperation im Computer \u2013 betreiben kann: Das logische Gatter regelt, wie die eingehenden Informationen in Form von 0 und 1 verarbeitet werden. Das Gatter ben\u00f6tigt daf\u00fcr zwei Eingangssignale, also Elektronen-Wellen aus realen und virtuellen Ladungstr\u00e4gern, angeregt durch zwei synchronisierte Laserimpulse. Je nach Richtung und St\u00e4rke der zwei Wellen addiert sich der resultierende Stromimpuls oder wird ausgel\u00f6scht. Das elektrische Signal, das die Physiker messen, entspricht also erneut einer logischen Information 0 oder 1. \u201eDies ist ein gro\u00dfartiges Beispiel daf\u00fcr, wie Grundlagenforschung zu neuen Technologien f\u00fchren kann. Durch fundamentale Theorie und ihre Verbindung mit den Experimenten haben wir die Rolle realer und virtueller Stromimpulse aufgedeckt, und das hat die Umsetzung ultraschneller logischer Gatter er\u00f6ffnet\u201c, sagt Ignacio Franco von der University of Rochester. \u201eBis diese Technik in einen Computerchip eingesetzt werden kann, wird es vermutlich noch sehr lange dauern. Aber immerhin wissen wir jetzt, dass Lichtwellen-Elektronik nicht nur theoretisch funktioniert, sondern auch praktisch m\u00f6glich ist\u201c, erg\u00e4nzt Tobias Boolakee.<\/p>\n\n\n

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