Licht in Zeitlupe

Klein, schnell und effizient – das sind die Anforderungen an zukunftsfähige Computerprozessoren. Eine Arbeitsgruppe der Kieler Physik setzt auf eine neu­artige Lichtleitung: Plasmonen in Nano-Fasern

Till Leißner braucht Fingerspitzengefühl für seine Arbeit im Labor des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik. Das komplexe Lasersystem, an dem er Experimente für seine Doktor­arbeit durchführt, liefert hochintensive Lichtpulse, die er mit hoher Präzision einstellen muss. Der 31-Jährige zeichnet mithilfe eines sogenannten Photoemissions-Elektronenmikroskops auf, wie sich ein Lichtpaket binnen weniger Femtosekunden, also weniger Quadrillionstelsekunden, fortbewegt. »Das ist ein fast unvorstellbar kurzer Zeitraum, aber mit dem Mikroskop kann ich filmen, wie sich das Licht vorwärtsbewegt, und danach stark verlangsamt ansehen und vermessen«, erläutert Leißner.

Die Arbeitsgruppe »Ultraschnelle Oberflächenphänomene« um Professor Michael Bauer zielt in diesem Projekt auf neue Technologien, die zum Beispiel in Computerprozessoren der Zukunft ihre Anwendung finden könnten. Herkömmliche Prozessoren bestehen überwiegend aus elektro­nischen Bauelementen, die Rechenschritte umsetzen und Datenpakete transportieren. Ihr Vorteil: Elektronikteile können bis in winzig kleine Dimensionen verkleinert werden. Allerdings können sie aus physikalischen Gründen kaum noch schneller werden. Für den Transport von Datenpaketen gibt es heute bereits eine schnellere Alternative zur Elektronik: Lichtleiter – auch optische Leiter genannt – zum Beispiel in Glasfaserkabeln. Diese haben mittlerweile Kupferkabel beim Ferntransport von Daten in Deutschland fast flächen deckend abgelöst. Lichtleiter sind zwar schneller als Elektronik, jedoch lassen sie sich nicht beliebig verkleinern. »Die Gesetze der Physik begrenzen Glasfaserleitungen auf einen minimalen Durchmesser von etwa einem Mikrometer, also einem tausendstel Millimeter«, erläutert Bauer.

Für wirklich effiziente, zukunftsfähige Prozessoren müsste man die Vorteile von elektronischen und Licht leitenden Bauteilen vereinen. Idealerweise würden Prozessoren, so Bauer, für Berech­nungen elektronische und für die Datenleitung optische Elemente nutzen. Gemeinsam mit seinem Kollegen Horst-Günter Rubahn, der das Mads Clausen Institut an der Syddansk Univer­sitet in Sonderborg leitet, formulierte Bauer vor vier Jahren ein Forschungsprojekt: »Wir wollten aufzeigen, wie sehr kleine, sehr schnelle optische Leiterelemente für Prozessoren aussehen könnten.«

Seit 2009 testen die beiden Arbeitsgruppen solche optischen Elemente innerhalb des Forschungsschwerpunktes 1391 »Ultra­schnelle Nanooptik« der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Zunächst stellte das dänische Team organische Fasern her, die etwa 60 Nanometer hoch und bis zu 200 Nanometer schmal waren, also erheblich kleiner als das physikalische Limit konventioneller Glasfasern. Diese brachten sie auf eine Gold­oberfläche auf und schickten sie nach Kiel. Hier testeten Leißner und ein Kollege, ob und wie sich Lichtwellen im Zwischenraum zwischen Faser und Goldplatte ausbreiten.

»Dabei nutzen wir gar kein Licht im herkömmlichen Sinne«, erklärt Leißner, sondern spezielle Lichtwellen, sogenannte Plasmonen. Diese enthalten die Energie des Lichtes, bewegen sich wie Strom vorwärts, sind aber nicht den gleichen physikalischen Gesetzen unterworfen wie herkömmliches Licht. »Herkömmliches Laserlicht kann nicht in Nanoleitern transportiert werden, weil es eine zu große Wellenlänge hat. Für Plasmonen gilt diese Einschränkung nicht, und deshalb können wir Laserlicht nur als Plasmonen durch unsere miniaturisierten Licht­leiter schicken«, so der Promotionsstudent.

Nach drei Jahren ist sich das Forschungsteam sicher: Die plasmonische Lichtwelle breitet sich in der organischen Nanofaser aus. Aber sie verliert auf dem Weg schnell an Energie und schafft es bislang nur etwa 20 Mikrometer weit – das sind 0,02 Millimeter. »Aber das ist gar nicht schlecht«, freut sich Bauer. So beträgt der durchschnittliche Abstand einzelner Schalteinheiten heutiger Prozessoren bereits weniger als 0,001 Millimeter. Für andere Anwendungen wären deutlich größere Transportwege aber durchaus wünschenswert.

Das Fortsetzungsprojekt haben Bauer und Rubahn bereits geplant. So wollen sie zum Beispiel Höhe und Breite der Fasern so verändern, dass das Licht über weitere Strecken geleitet wird. Bauer ist zuversichtlich: »Wir haben bei der Wiederbegutachtung des Projektes im April gut abgeschnitten und denken, dass wir die Förderung bekommen können. Eine Verdreifachung der bisher beobachteten Transportwege sollte dann in den nächsten Jahren auf jeden Fall drin sein.«

Stefanie Maack

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