Laserpulse für ultraschnelle Signalverarbeitung könnten Computer millionenfach schneller machen

Ultraschnelles Laserpuls-Logikgatter

Illustration der Gold-Graphen-Struktur, in der Elektronenwellen von realen und virtuellen Ladungen mit zwei ultraschnellen Laserpulsen anvisiert werden. Der kombinierte Effekt kann in einem ultraschnellen Logikgatter verwendet werden. Bildnachweis: Michael Osadciw, University of Rochester

Die Simulation komplexer wissenschaftlicher Modelle am Computer oder die Verarbeitung großer Datenmengen wie die Bearbeitung von Videomaterial nimmt viel Rechenleistung und Zeit in Anspruch. Forscher des Lehrstuhls für Laserphysik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und ein Team der University of Rochester in New York haben gezeigt, wie sich die Geschwindigkeit grundlegender Rechenoperationen künftig auf bis zu eine Million steigern lässt mal schneller mit Laserpulsen. Ihre Ergebnisse wurden am 11. Mai 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Die Rechengeschwindigkeit heutiger Computer- und Smartphone-Prozessoren wird durch Feldeffekttransistoren gegeben. Im Wettbewerb, schnellere Geräte herzustellen, wird die Größe dieser Transistoren ständig verringert, um so viele wie möglich zusammen auf Chips zu passen. Moderne Computer arbeiten bereits mit der atemberaubenden Geschwindigkeit von mehreren Gigahertz, was mehreren Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde entspricht. Die neuesten Transistoren sind nur noch 5 Nanometer (0,000005 Millimeter) groß, das entspricht nicht viel mehr als ein paar Atomen. Chipherstellern sind Grenzen gesetzt und ab einem gewissen Punkt wird es nicht mehr möglich sein, Transistoren kleiner zu machen.

Licht ist schneller

Physiker arbeiten mit Hochdruck daran, Elektronik mit Lichtwellen zu steuern. Die Schwingung einer Lichtwelle dauert etwa eine Femtosekunde, das ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Die Steuerung elektrischer Signale mit Licht könnte die Computer der Zukunft über eine Million Mal schneller machen, das ist das Ziel der Petahertz-Signalverarbeitung oder Lichtwellenelektronik.

Von Lichtwellen bis zu Stromimpulsen

Elektronik dient der Übertragung und Verarbeitung von Signalen und Daten in Form von logischen Informationen unter Verwendung binärer Logik (1 und 0). Diese Signale können auch in Form von Stromimpulsen vorliegen.

Forscher des Lehrstuhls für Laserphysik haben untersucht, wie sich Lichtwellen in Strompulse umwandeln lassen mehrere Jahre. In ihren Experimenten beleuchten die Forscher eine Struktur von[{” attribute=””>graphene and gold electrodes with ultrashort laser pulses. The laser pulses induce electron waves in the graphene, which move toward the gold electrodes where they are measured as current pulses and can be processed as information.

Real and virtual charges

Depending on where the laser pulse hits the surface, the electron waves spread differently. This creates two types of current pulses which are known as real and virtual charges.

Tobias Boolakee

Tobias Boolakee. Credit: FAU/Johanna Hojer

“Imagine that graphene is a pool and the gold electrodes are an overflow basin. When the surface of the water is disturbed, some water will spill over from the pool. Real charges are like throwing a stone into the middle of the pool. The water will spill over as soon as the wave that has been created reaches the edge of pool, just like electrons excited by a laser pulse in the middle of the graphene,” explains Tobias Boolakee, lead author of the study and researcher at the Chair of Laser Physics.

“Virtual charges are like scooping the water from the edge of the pool without waiting for a wave to be formed. With electrons, this happens so quickly that it cannot be perceived, which is why it is known as a virtual charge. In this scenario, the laser pulse would be directed at the edge of the graphene right next to the gold electrodes.” Both virtual and real charges can be interpreted as binary logic (0 or 1).

Logic with lasers

The laser physicists at FAU have been able to demonstrate with their experiments for the first time that this method can be used to operate a logic gate – a key element in computer processors. The logic gate regulates how the incoming binary information (0 and 1) is processed. The gate requires two input signals, here electron waves from real and virtual charges, excited by two synchronized laser pulses. Depending on the direction and strength of the two waves, the resulting current pulse is either aggregated or erased. Once again, the electrical signal that the physicists measure can be interpreted as binary logic, 0 or 1.

“This is an excellent example of how basic research can lead to the development of new technology. Through fundamental theory and its connection with the experiments, we have uncovered the role of real and virtual charges which has opened the way to the creation of ultrafast logic gates,” says Ignacio Franco from the University of Rochester.

“It will probably take a very long time before this technology can be used on a computer chip. But at least we know that light wave electronics is a feasible technology,” adds Tobias Boolakee.

Reference: “Light-field control of real and virtual charge carriers” by Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco and Peter Hommelhoff, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9

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