Optischer Transistor aus Deutschland: Mini-Bauteil könnte Computer enorm beschleunigen

Rechenzentren verbrauchen immer mehr Strom, Computerchips stoßen an physikalische Grenzen, und selbst modernste Prozessoren lassen sich nur begrenzt schneller takten. Der Engpass steckt tief in der Technik: Elektronische Transistoren arbeiten mit bewegten Elektronen, die sich gegenseitig behindern, Wärme erzeugen und bei höherem Tempo immer mehr Energie verschwenden. Seit Jahren suchen Physiker nach Alternativen, die diesen Flaschenhals umgehen können. Eine davon setzt nicht auf Strom, sondern auf Licht.

Ein optischer Transistor aus Oldenburg zeigt, dass sich Licht so präzise steuern lässt, dass es klassische Schaltvorgänge übernehmen kann. Nicht als theoretisches Modell, sondern als messbarer Effekt in einer realen Nanostruktur. Für künftige Computer bedeutet das eine reale Chance, Rechenvorgänge deutlich schneller und sparsamer abzuwickeln als mit heutigen Chips.

Warum Licht schneller ist als Elektronen

Elektronische Transistoren lassen sich nur bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit betreiben. Darüber steigt der Energieverlust, die Hitze nimmt zu, die Kontrolle sinkt. Ein Team aus Oldenburg weist nun nach, dass Licht diese Grenze deutlich verschieben kann. In einer speziell aufgebauten Nanostruktur wird Licht für extrem kurze Zeit gespeichert und gezielt verändert. Die Folge sind Schaltzeiten im Bereich weniger Femtosekunden – rund zehntausendmal schneller als bei heutigen Transistoren.

Der entscheidende Punkt liegt nicht in einem exotischen neuen Stoff. Verwendet werden Silber und Wolframdisulfid, beides bekannte Materialien. Neu ist ihr Zusammenspiel. Erst in dieser Kombination entsteht ein Effekt, der Licht kontrollierbar macht. Die Arbeit wurde von einem internationalen Team unter Leitung von Christoph Lienau durchgeführt.

Eine Nanostruktur mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Die Grundlage bildet ein dünnes Silberplättchen. In seine Oberfläche sind parallele Rinnen gefräst, nur etwa 45 Nanometer breit und ebenso tief. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist rund 1.000-mal dicker. Auf diese strukturierte Oberfläche wird eine extrem dünne Halbleiterschicht aufgebracht. Sie besteht aus Wolframdisulfid und ist nur eine Atomlage stark, etwa drei Atomdurchmesser dick.

Trifft ein kurzer Laserimpuls auf diese Struktur, verhält sie sich nicht wie ein normaler Spiegel. Statt Licht sofort zu reflektieren, hält sie es für einen winzigen Moment fest. In dieser Zeit bildet sich ein sogenannter Polaritonzustand – eine Mischung aus Licht und Materie. Dieser Zustand existiert nur etwa 70 Femtosekunden. In diesem Zeitfenster lässt sich die Reflexion konkret verändern.

70 Femtosekunden mit großer Wirkung

Eine Femtosekunde entspricht 0,000000000000001 Sekunden. In dieser extrem kurzen Zeit lässt sich die Reflexion des Lichts gezielt steuern. Mit einem zusätzlichen Laserimpuls verändert das Team die Wechselwirkung im Material, die Helligkeit des reflektierten Lichts steigt dabei um bis zu zehn Prozent.

Das Besondere liegt in der Geschwindigkeit. Elektronische Transistoren schalten im Vergleich etwa tausendmal langsamer. Der optische Prozess läuft in wenigen Femtosekunden ab und verschiebt damit die zeitlichen Grenzen heutiger Chips.

Wie Forscher ultraschnelle Lichtprozesse erstmals messen

Um diese Vorgänge sichtbar zu machen, nutzte das Team eine besonders anspruchsvolle Messmethode: die zweidimensionale elektronische Spektroskopie. Sie erlaubt es, ultraschnelle Prozesse mit einer Zeitauflösung von rund zehn Femtosekunden zu verfolgen. So ließ sich erstmals beobachten, wie der geordnete Polaritonzustand entsteht und ebenso schnell wieder zerfällt.

Die Messungen zeigen einen klaren Übergang. In den ersten rund 70 Femtosekunden reagiert das System kohärent, also geordnet. In dieser Phase ist der Schalteffekt besonders stark. Danach geht die Ordnung verloren, andere Anregungen übernehmen. Dieser kurze Moment eignet sich für ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala.

Warum ein optischer Transistor mehr ist als ein Labortrick

Die Nanostruktur selbst besitzt keine nennenswerte optische Wirkung, solange die Halbleiterschicht fehlt. Erst mit der atomdünnen Lage entsteht die starke Nichtlinearität. Das zeigt, wie empfindlich das System auf seine Bausteine reagiert. Zugleich macht es deutlich, dass sich der Effekt gezielt weiterentwickeln lässt.

Der optische Transistor eignet sich vor allem für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit entscheidend ist. Dazu zählen optische Datenverarbeitung, photonische Chips oder Sensoren. Auch für Quantencomputer könnten solche „Lichtschalter“ interessant werden, da sie Informationen ohne Umweg über Elektronen verarbeiten.

Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Die Steuerung erfolgt mit präzisen Laserpulsen, die Struktur entsteht unter Laborbedingungen. Für den Einsatz in Alltagsgeräten sind weitere Schritte nötig. Materialien müssen stabiler werden, die Steuerung energieärmer, die Integration in bestehende Chiparchitekturen gelingen.

Kurz zusammengefasst:

• Deutsche Physiker entwerfen einen optischen Transistor, der Licht in Femtosekunden schaltet und elektronische Chips um Größenordnungen übertrifft. Möglich wird das durch eine Nanostruktur aus Silber und einer nur eine Atomlage dicken Halbleiterschicht.
• Der Schalteffekt entsteht, weil Licht für etwa 70 Femtosekunden in einem kontrollierbaren Quantenzustand festgehalten wird. In dieser Zeit lässt sich die Lichtreflexion messbar verändern – bis zu zehn Prozent.
• Die Ergebnisse zeigen einen realistischen Weg zu schnelleren und energieärmeren Rechnern. Licht könnte künftig Rechenaufgaben übernehmen, bei denen Elektronen an physikalische Grenzen stoßen.

Übrigens: Unter bestimmten Bedingungen kann Licht sogar einen eigenen Schatten werfen – Forscher haben gezeigt, wie sich Laserstrahlen gegenseitig beeinflussen und plötzlich wie feste Objekte verhalten. Wie ein Rubin-Kristall dieses scheinbar unmögliche Phänomen ermöglicht und warum das für optische Schalter spannend ist, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Universität Oldenburg / Marcus Windus