Bei einem Petahertz ist Schluss

Mehr geht nicht: Forscher haben erstmals ermittelt, wo die physikalisch bedingte Maximalgeschwindigkeit für optoelektronische Schaltungen in Computerchips liegt – der Wert, der selbst bei optimierter Technologie nicht überschritten werden kann. Demnach liegt dieses Speedlimit bei rund einem Petahertz. Das entspricht einer Million Gigahertz und ist rund 100.000-mal schneller als die besten heutigen Transistoren, wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet.

Unsere zunehmend digitalisierte Welt erfordert immer leistungsfähigere, kleinere Computerchips. Inzwischen sind Chipkomponenten wie Transistoren nur noch wenige Nanometer klein. Doch die Miniaturisierung der klassischen, rein elektronischen Schaltkreise auf Siliziumbasis stoßen allmählich an ihre Grenzen. Eine Alternative bietet die Optoelektronik, bei der Licht als Signalüberträger verwendet wird.

In optoelektronischen Transistoren werden Laserpulse genutzt, um die Elektronen im Halbleitermaterial anzuregen. Das Material wird dadurch vom isolierenden in den leitenden Zustand gebracht und damit von Null auf Eins geschaltet. Wie schnell eine solche optische Schaltung funktioniert, hängt von der Wellenlänge des eingesetzten Lichts und vom Material ab. So lassen sich siliziumbasierte optoelektronische Chips am besten mit infraroten Laserpulsen schalten.

Speedtest mit UV-Laser und Dielektrikum

Doch es geht besser: „Je schneller man werden will, desto hochfrequenter muss das elektromagnetische Signal sein“, erklärt Seniorautor Martin Schultze von der Technischen Universität Graz. Gleichzeitig benötigt man dann aber ein Material, in dem der Abstand zwischen dem nichtleitenden Nullzustand und der angeregten, leitenden Eins groß genug ist, um auf diese höhere Energie zu reagieren.

Für ihre Speedtests haben Schultze, Erstautor Marcus Ossiander vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und ihre Kollegen daher die schnellstmögliche Kombination von Laser und Material eingesetzt: Sie nutzten ultrakurze Laserpulse im UV-Bereich und statt eines Siliziumhalbleiters das dielektrische Material Lithiumfluorid. Mit einer Bandlücke von 13,6 Elektronenvolt ist es das natürliche dielektrische Material mit dem größten Abstand von Valenz- und Leiterband der Elektronen.

Im Experiment und mit ergänzenden Modellierungen ermittelten die Forscher, wo die maximal erreichbare Geschwindigkeit eines optoelektronischen Chips liegt.

Mehr als ein Petahertz geht nicht

Das Ergebnis: Bei etwa einem Petahertz – rund einer Million Gigahertz – ist die physikalische Grenze der Signalgeschwindigkeit erreicht. Schneller können optoelektronische Transistoren demnach nicht werden, wie Ossiander und seine Kollegen berichten. Der Grund für diese Grenze: Bei noch schnelleren Signalpulsen werden die Abstände zu kurz und die übertragene Energie lässt sich nicht mehr präzise genug definieren.

Die Elektronen springen nicht mehr sauber zwischen den beiden erwünschten Zuständen hin und her. „Festkörper haben unterschiedliche erlaubte Energie-Bänder und mit kurzen Laserpulsen werden viele von ihnen zwangsläufig gleichzeitig von freien Ladungsträgern bevölkert“, erklärt Koautor Christoph Lemell von der Technischen Universität Wien. Dadurch wird das Stromsignal, das am Ende entsteht, verfälscht – Nullen und Einsen können nicht mehr unterschieden werden.

Wie nah kommt man an die Grenze heran?

Das Speedlimit von einem Petahertz bedeutet aber auch, dass bei den heute gängigen Transistoren noch Luft nach oben ist: Das maximal Erreichbare ist etwa 100.000-mal schneller. Ob Computerchips dieser Maximalkapazität allerdings jemals hergestellt werden können, ist fraglich: Nach Angaben der Forscher liegen die realistisch machbaren technischen Obergrenzen wahrscheinlich deutlich unter dem absoluten Speedlimit.

Fest steht aber in jedem Fall: Schneller als in den Untersuchungen gezeigt wurde, wird Optoelektronik nicht werden – und wie nahe zukünftige Technologien an diese Grenze rankommen, wird sich zeigen müssen. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-29252-1)

Quelle: Technische Universität Graz, Technische Universität Wien