Erster Petahertz-schneller Phototransistor funktioniert unter Umgebungsbedingungen

Mohammed Hassan (rechts), Associate Professor Physik und Optische Wissenschaften, und Mohamed Sennary, Grad Student Optik/Physik, halten kommerziellen Transistor, den sie für Petahertz-Transistor nutzten.

Vision: Lichtpulse für millionenfach schnellere Computer

Was, wenn ultrakurze Lichtpulse Computer millionenfach schneller als heutige Prozessoren betreiben könnten? Internationales Team (u. a. University of Arizona) arbeitet daran.

Durchbruch: Quantentunneln in Graphen

Forscher (Dept. Physics, College of Science; James C. Wyant College of Optical Sciences) demonstrierten Manipulation von Elektronen in Graphen mittels Lichtpulsen <1 Billionstel Sekunde (Attosekundenbereich). Durch Quanteneffekt Tunneln: Elektronen umgehen physikalische Barriere quasi instantan – redefiniert potenzielle Limits Computerrechenleistung.

Studie (Nature Communications): Technik könnte Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Petahertz-Bereich ermöglichen – >1.000x schneller als moderne Chips.

„Riesiger Sprung in KI-Software, aber Hardware-Entwicklung nicht so schnell“, so Hassan. „Durch Quantencomputer-Entdeckung können wir Hardware entwickeln, die aktuelle IT-Software-Revolution matcht. Ultraschnelle Computer unterstützen Entdeckungen in Weltraumforschung, Chemie, Gesundheitswesen, mehr.“

Team & Unerwartete Entdeckung

Hassan mit U of A Kollegen: Nikolay Golubev (Asst. Prof. Physics), Mohamed Sennary, Jalil Shah (Postdoc Physics), Mingrui Yuan (Optics Grad). Plus Kollegen: Caltech JPL, Ludwig Maximilian Univ. München.

Ursprünglich: Elektrische Leitfähigkeit modifizierter Graphenproben. Laser auf Graphen → Energie regt Elektronen an → Strombildung. Manchmal heben Ströme sich auf: Laserenergiewelle bewegt sich auf/ab → gleich große, entgegengesetzte Ströme beiderseits Graphen. Wegen symmetrischer Atomstruktur spiegeln sich Ströme → heben auf → kein detektierbarer Strom.

Aber: Was, wenn einzelnes Elektron durch Graphen „tunnelt“ und Reise in Echtzeit erfassbar? Unerwartetes Ergebnis bei Modifikation verschiedener Graphenproben.

„Das liebe ich an Wissenschaft: Echte Entdeckung kommt von Dingen, die man nicht erwartet“, so Hassan. „Im Labor erwartet man immer etwas – aber wahre Schönheit: kleine Dinge, die passieren, führen zu weiterer Untersuchung. Als wir Tunneln-Effekt realisierten, mussten wir mehr erfahren.“

Weltweit schnellster Petahertz-Quanten-Transistor

Kommerziell verfügbarer Graphen-Phototransistor, modifiziert mit spezieller Siliziumschicht. Laser schaltet ein/aus bei 638 Attosekunden → „weltweit schnellster Petahertz-Quanten-Transistor“.

Transistor = elektronischer Schalter/Verstärker, steuert Stromfluss zwischen zwei Punkten, fundamental für moderne Elektronik.

„Referenz: 1 Attosekunde = 10⁻¹⁸ Sekunde. Erfolg = großer Sprung für ultraschnelle Computertechnologien durch Realisierung Petahertz-Transistor“, so Hassan.

Kommerzialisierungspfad

Während manche Fortschritte strikte Bedingungen brauchen (Temp, Druck), performte dieser Transistor unter Umgebungsbedingungen → Weg zur Kommerzialisierung und Alltagselektronik offen.