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Die kürzeste elektronische Explosion wird erzeugt

27.02.2023

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Ihr Computer und andere elektronische Geräte manchmal schnell und manchmal langsam sind? Es kommt auf die Geschwindigkeit an, mit der Elektronen, die kleinsten Teilchen unseres Mikrokosmos, aus winzigen Drähten in den Transistoren elektronischer Schaltungen herausfließen und Impulse erzeugen. Die Entwicklung von Möglichkeiten zur Erhöhung dieser Geschwindigkeit ist entscheidend, um das größte Leistungspotenzial der Elektronik und ihrer Software freizusetzen.

Aber was ist die kürzeste Zeit, in der Elektronen in einem elektronischen Schaltkreis aus winzigem Bleimetall herausfließen?

Mit extrem kurzen Laserblitzen nutzte ein Forscherteam um Prof. Eleftherios Gulielmakis, Leiter der Gruppe Extreme Photonics am Institut für Physik der Universität Rostock, und Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart den Zustand der Kunst heute.

Es ist zwar seit langem bekannt, dass Licht Elektronen aus Metallen freisetzen kann (Einstein hat als erster erklärt, wie), dieser Prozess ist jedoch äußerst schwierig zu manipulieren. Das elektrische Lichtfeld ändert seine Richtung etwa eine Million Milliarden Mal pro Sekunde, was es schwierig macht, zu kontrollieren, wie es Elektronen von der Oberfläche von Metallen abstreift.

Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Rostocker Wissenschaftler und ihre Kollegen eine hochmoderne Technologie, die zuvor von ihrer Gruppe entwickelt wurde - die Lichtfeldfusion -, mit der sie den Lichtblitz auf weniger als den vollen Ausschlag seines eigenen Feldes reduzieren konnten . Mit diesen Blitzen beleuchteten sie wiederum die Spitze einer Wolframnadel, um Elektronen in das Vakuum freizusetzen.

„Durch die Verwendung von Lichtpulsen, die nur einen Zyklus ihres Feldes enthalten, ist es jetzt möglich, Elektronen einen genau kontrollierten Schock zu geben, um sie in sehr kurzer Zeit von der Wolframspitze zu befreien“, erklärt Eleftherios Gulielmakis, Leiter des Forschungsteams.

Aber dieses Problem wäre unmöglich zu lösen, wenn die Wissenschaftler nicht auch einen Weg finden würden, die kurze Dauer dieser Elektronenblitze zu messen. Um diese Hürde zu überwinden, entwickelte das Team einen neuen Kameratyp, der kurzzeitig Schnappschüsse von Elektronen machen kann, während ein Laser sie aus der Nanospitze in ein Vakuum schiebt.

"Der Trick bestand darin, einen zweiten, sehr schwachen Lichtblitz zu verwenden", sagte Dr. Hee-Yong Kim, Hauptautor der neuen Studie. „Dieser zweite Laserstoß kann die Energie der Elektronenexplosion sanft verzerren, um zu sehen, wie sie im Laufe der Zeit aussieht“, fügt er hinzu. „Es ist wie ein ‚Was ist in der Schachtel‘-Spiel, bei dem die Spieler versuchen, ein Objekt zu erkennen, ohne es anzusehen, sondern indem sie es einfach umdrehen, um seine Form mit ihren Händen zu fühlen“, fährt er fort.

Doch wie lässt sich diese Technologie in der Elektronik einsetzen? "Da sich die Technologie schnell weiterentwickelt, ist die Entwicklung mikroskopisch kleiner elektronischer Schaltungen zu erwarten, in denen sich Elektronen durch den Vakuumraum zwischen dicht gepacktem Blei bewegen, um zu verhindern, dass Hindernisse sie verlangsamen", sagt Gulielmakis. „Die Verwendung von Licht zum Ausstoßen von Elektronen und deren Bewegung zwischen diesen Drähten könnte die zukünftige Elektronik im Vergleich zu heute um einen Faktor von mehreren Tausend beschleunigen“, erklärt er.

Die Forscher glauben jedoch, dass ihre kürzlich entwickelte Methodik speziell für wissenschaftliche Zwecke verwendet wird. "Der Ausstoß von Elektronen aus einem Metall innerhalb eines Bruchteils eines Lichtfeldzyklus vereinfacht Experimente erheblich und ermöglicht es uns, fortschrittliche theoretische Methoden einzusetzen, um die Elektronenemission auf eine bisher nicht mögliche Weise zu verstehen", sagt Professor Thomas Fennell, Mitautor der Studie.

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