MIT-Forscher wollen mit Graphen extrem beschleunigte Chips entwickeln

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Graphen eingesetzt, um Elektrizität in Licht zu verwandeln. Sie sehen darin eine Chance für die Entwicklung von Computerchips, die Daten dramatisch schneller verarbeiten als heute. Finanziell gefördert wurde ihre Arbeit von der US-Armee.

Das in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Forschungspapier führt aus, dass es sich um einen ähnlichen Effekt wie den Überschallknall handelt, der entsteht, wenn sich ein Flugzeug schneller als mit Schallgeschwindigkeit zu bewegen beginnt. In einer Graphenschicht kann demnach unter bestimmten Umständen elektrischer Strom die Geschwindigkeit von verlangsamtem Licht übertreffen. Das habe einen „optical boom“ (in Anlehnung an „sonic boom“, Überschallknall) zur Folge, der aus einem intensiven, fokussierten Lichtstrahl besteht.

Ein Elektron (heller Pfeil nach oben) bewegt sich schneller als Licht in der Graphenschicht (blaues Gitter auf Trägermaterial) und sorgt für eine Druckwelle, die Plasmonen (rote schnörkelige Linien) abstrahlt (Bild: MIT).

Das beobachtete Phänomen ist den Wissenschaftlern zufolge eine Form des Tscherenkow-Effekts. Sie fanden heraus, dass Licht sich dramatisch verlangsamen kann, wenn es auf eine Graphenschicht trifft. Damit nähert sich die verlangsamte Geschwindigkeit von Photonen im Graphen der Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen durch dasselbe Material bewegen. „Graphen hat diese Fähigkeit, Licht einzufangen in Modi, die wir Oberflächenplasmonen nennen“, erklärt Ido Kaminer, Hauptautor des Papiers. Der Begriff Plasmonen ist gebräuchlich als Abkürzung für Plasmaschwingungsquanten. „Die Geschwindigkeit dieser Plasmonen durch das Graphen ist mehrhundertfach langsamer als im leeren Raum.“

„Unsere theoretische Arbeit zeigt, dass dies zu einem neuen Weg der Lichterzeugung führen kann“, zitiert MIT News Physikprofessor Marin Soljačić. „Diese Umwandlung wird möglich, weil die elektronische Geschwindigkeit sich in Graphen der Geschwindigkeit von Licht nähern kann und damit die ‚Licht-Barriere‘ durchbricht. Im Fall von Graphen führt das zur Emission einer Stoßwelle von Licht, gefangen in zwei Dimensionen.“

Es gibt viele Wege, um Elektrizität in Licht zu verwandeln, aber die graphenbasierte Herangehensweise könnte den Forschern zufolge eine effizientere, schnellere und besser steuerbare Alternative für bestimmte Anwendungen sein. Sie hoffen insbesondere auf lichtbasierte Schaltkreise und damit eine entscheidende neue Entwicklung der Computertechnik zu erheblich effizienteren und schnelleren – laut Kaminer prinzipiell sogar bis zu millionenfach schnelleren – Geräten.

Die Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 wurde 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Graphene sind einlagige Kohlenstoffschichten mit extremen Eigenschaften. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit geht die Forschung schon seit Jahren der Frage nach, ob Graphen Silizium als Transistormaterial ablösen könnte. Das zweidimensionale Material verbindet außerdem eine extreme Stärke mit elastischem Verhalten. Zu den erwarteten vielversprechenden Anwendungen gehören Kommunikation in hoher Bandbreite oder auch eine neue Generation von Low-Cost-Smartphones und TV-Bildschirmen. Die EU fördert die Graphen-Forschung über zehn Jahre hinweg und stellt dafür bis zu einer Milliarde Euro bereit.

[mit Material von Liam Tung, ZDNet.com]