Energiesparen beim optischen Computer

Moderne Rechner sind schnell und klein. Die neueste Transistorengeneration wird Strukturgrößen von nur zehn Nanometer aufweisen. Damit es künftig noch schneller und energiesparender geht, könnten außer Elektronen auch Lichtteilchen Computer steuern – in optischen Computern. Als Lichtleiterbahnen testen Forscher Ketten aus Gold-Nanopartikeln. Wissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) zeigen, wie ein Tüpfelchen Silber beim Rechnen mit Licht enorm Energie sparen könnte.

Schon heute nutzen Glasfasernetze Licht um Daten zu transportieren. Die Kabel besitzen jedoch Durchmesser im Mikrometer-Bereich, die Lichtwellen mit Wellenlängen um einen Mikrometer müssen ungehindert schwingen können. Soll die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip erfolgen, ist daher ein anderes System nötig.

Kette von Nanopartikeln

Eine Möglichkeit ist das Weiterleiten der Lichtsignale über Plasmonenschwingungen. Ein Lichtteilchen regt dabei die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Die Wellenbewegung pflanzt sich mit rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit  fort – über eine Kette von Nanopartikeln. Das Ergebnis: Es werden Nanometer-Dimension und enorme Geschwindigkeiten erreicht. Der Energieverbrauch wäre bei einer reinen Gold-Kette durch starke Wärmeentwicklung allerdings ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.

Deswegen erforschten Wissenschaftler der LMU, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel in der Mitte.

Silber als Vermittler

Das Silber dient als Vermittler zwischen den Goldpartikeln – ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Daher umfließt die Energie dieses Partikel lediglich. Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die sog. Hot Spots vermittelt. Sie entstehen zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel. Die Energie wird fast verlustfrei weitergereicht – auf der Femtosekundenskala.

Voraussetzung für die Versuche war das punktgenauen Platzieren von Nanostrukturen durch die erfahrenen Forscher. Die angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermöglichte es, verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art mit herkömmlichen Lithographietechniken, können nicht die notwendige räumliche Präzision liefern. Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt.