Durch Licht angeregte Elektronen von Fullerenen helfen dabei, Hochgeschwindigkeitsschalter zu erzeugen

Lichtinduzierte Elektronenemissionen von Fulleren, einem Molekül auf Kohlenstoffbasis, können für einen ultraschnellen Schalter verwendet werden. Das neue Gerät, das von einem Team unter der Leitung der Universität Tokio, Japan, entwickelt wurde, hat eine Schaltgeschwindigkeit, die vier bis fünf Größenordnungen schneller ist als die der aktuellen Festkörpertransistoren, die in modernen Computern verwendet werden. Mit Laserlichtpulsen lässt sich der Weg der von den Emissionsstellen im Molekül erzeugten Elektronen im Subnanometerbereich steuern.

„Vor dieser Arbeit war eine solche optische Kontrolle von Elektronenemissionsstellen auf einer Skala von 10 nm möglich, aber es war schwierig, diese Elektronenquellen mit Emissionsstellenselektivität zu miniaturisieren“, erklärt Hirofumi Yanagisawa der Universität Tokio Institut für Festkörperphysik.

Die Forscher führten ihren Einzelmolekülschalter durch, indem sie Fullerenmoleküle auf der Spitze einer scharfen Metallnadel ablagerten und an der Spitze der Spitze ein starkes konstantes elektrisches Feld anlegten. Sie beobachteten Vorsprünge einzelner Moleküle, die an der Spitze auftauchten, und stellten fest, dass die elektrischen Felder an diesen Erhebungen noch stärker werden. Elektronen können selektiv von diesen einzelnen Molekülen emittiert werden. Die emittierten Elektronen kommen von der Metallspitze und passieren nur die Moleküle an den Vorsprüngen.

 Schaltfunktion ist wie eine Eisenbahnstrecke

„Die Elektronenemissionsorte einer Einzelmolekül-Elektronenquelle werden durch die Verteilung der Elektronen im Molekül oder durch Molekülorbitale (MOs) bestimmt“, erklärt Yanagisawa. „Die Verteilung der MOs ändert sich stark mit den molekularen Ebenen, und wenn die von der Metallspitze gelieferten Elektronen durch Licht angeregt werden, passieren diese Elektronen andere MOs als diejenigen, die nicht angeregt werden. Das Ergebnis ist, dass die Emissionsorte mit Licht verändert werden können.“

Diese Schaltfunktion, sagt er, sei konzeptionell die gleiche wie die eines Zuges, der auf einem Bahngleis umgeleitet wird – die emittierten Elektronen können entweder auf ihrem vorgegebenen Kurs bleiben oder umgelenkt werden.

Die Tatsache, dass photoangeregte Elektronen im Vergleich zu nicht angeregten Elektronen verschiedene MOs passieren können, impliziert, dass wir in der Lage sein sollten, diese Orbitale weiter zu verändern und so mehrere ultraschnelle Schalter in ein einziges Molekül zu integrieren, fügt Yanagisawa hinzu. Aus solchen Strukturen könnte dann ein ultraschneller Computer entstehen.

Die Quantenphysik setzt eine Geschwindigkeitsgrenze für schnellstmögliche optoelektronische Schalter

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Verbesserung der räumlichen Auflösung der Photoelektronenemissionsmikroskopie. Vor dieser Studie, erklärt Yanagisawa, war diese Technik unter 10 nm, aber sie könnte jetzt 0.3 nm erreichen (was klein genug ist, um Einzelmolekül-MOs aufzulösen). „Wir können daher unser ‚laserinduziertes Feldemissionsmikroskop‘ (LFEM), wie wir es genannt haben, verwenden, um die ultraschnelle Dynamik in einzelnen Molekülen zu verfolgen“, sagt er Physik-Welt. „Solche Moleküle könnten Biomoleküle umfassen, wie sie mit der Photosynthese assoziiert sind, von denen angenommen wird, dass sie Elektronenprozesse im Femtosekunden-Zeitmaßstab beinhalten.“

In ihrer zukünftigen Arbeit hoffen die Tokioter Forscher, die räumliche Auflösung ihrer LFEM-Technik weiter zu verbessern, sodass sie die atomare Struktur eines einzelnen Moleküls auflösen können. Sie führen diese Arbeit im Rahmen der PRESTO-Projekt.

Die Forscher berichten in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/photoexcited-electrons-from-fullerene-help-create-high-speed-switch/