Ein einziges Molekül reicht aus, um einen Schalter herzustellen

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals einen Schalter aus einem einzigen Molekül namens Fulleren vorgestellt. Mit partieller Unterstützung des EU-finanzierten Projekts PETACom gelang es den Forschenden, den Weg eines eintreffenden Elektrons durch die Nutzung von Fulleren in einer vorhersagbaren Weise zu schalten. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Was bedeutet dies nun für die Anwendung in der Praxis? Wie in einer Pressemitteilung der Universität Tokio, Japan, beschrieben steht, kann der Schaltvorgang – unterstützt durch einen sorgfältig abgestimmten Laserpuls – um drei bis sechs Größenordnungen schneller sein als Schalter in Mikrochips. Die tatsächliche Geschwindigkeit hängt von den verwendeten Laserpulsen ab. Das heißt, wenn die heutigen Netzwerkschalter durch Fullerenschalter ersetzt würden, könnten daraus Computer entstehen, die weitaus leistungsfähiger sind als elektronische Transistoren. Außerdem könnten mikroskopische Bildgebungsgeräte mit bisher ungekanntem Auflösungsvermögen hergestellt werden.„Es ist uns gelungen, zu kontrollieren, wie ein Molekül den Weg eines eintreffenden Elektrons mithilfe eines sehr kurzen Pulses aus rotem Laserlicht lenkt“, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Hirofumi Yanagisawa vom Institut für Festkörperphysik der Universität Tokio, in der Pressemitteilung. „Je nach Lichtimpuls kann das Elektron entweder auf seinem Standardkurs bleiben oder vorhersehbar umgelenkt werden. Es verhält sich also ein bisschen wie bei den Weichen eines Zuges oder eines elektronischen Transistors, ist allerdings viel schneller. Wir glauben, dass wir eine Schaltgeschwindigkeit erreichen können, die eine Million Mal schneller ist als die eines klassischen Transistors. Und das könnte sich in der Praxisleistung in der Informatik niederschlagen. Genauso wichtig ist jedoch, dass, wenn wir den Laser so einstellen können, dass das Fullerenmolekül gleichzeitig mehrere Schaltvorgänge ausführt, es so etwas wie mehrere mikroskopische Transistoren in einem einzigen Molekül geben könnte. Damit könnte sich die Komplexität eines Systems erhöhen, ohne an physischer Größe zuzunehmen.“

Beim Fullerenmolekül handelt es sich um eine Reihe von Kohlenstoffatomen, die eine Kugel bilden. Wenn sie auf einem Metallpunkt positioniert sind, orientieren sich Fullerene in einer besonderen Weise, die es ihnen ermöglicht, Elektronen vorhersehbar zu leiten. Laserpulse, die in Quadrillionstel- oder sogar Quintillionstelsekunden auf die Fullerenmoleküle gerichtet sind, lösen die Elektronenemission aus.

„Dieses Verfahren ähnelt der Art und Weise, wie ein Photoelektronenemissionsmikroskop Bilder erzeugt“, erklärt Dr. Yanagisawa. „Diese können jedoch bestenfalls eine Auflösung von 10 Nanometern, also zehn Milliardstel Metern, erreichen. Unser Fullerenschalter verbessert diesen Aspekt und erlaubt Auflösungen von etwa 300 Pikometern oder drei Hunderttrillionstel Metern.“

Die mit Unterstützung des Projekts PETACom (Petahertz Quantum Optoelectronic Communication) erzielten Ergebnisse ebnen den Weg für Schalter, die Rechenaufgaben viel schneller als die heutigen Mikrochips erledigen. Es gilt jedoch noch viele Hindernisse zu überwinden, bevor wir die auf Fulleren basierende Schaltertechnologie in unseren Computern sehen werden.

Weitere Informationen:

PETACom-Projektwebsite