Wasserbasierter Schalter übertrifft Halbleitergeräte

Neuauflage von Plato

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Wasserstrahl — **Am Ziel** Durch eine speziell entwickelte Düse wird Wasser aufgefächert und anschließend ein Laserpuls hindurchgeleitet, um einen Schalter zu erzeugen. (Mit freundlicher Genehmigung von Adrian Buchmann)

Ein Physiker-Trio in Deutschland hat einen lasergesteuerten Schalter auf Wasserbasis entwickelt, der doppelt so schnell arbeitet wie bestehende Halbleiterschalter. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli an der Ruhr-Universität Bochum nutzten einen ultrakurzen Laserpuls, um in einem Strahl aus flüssigem Wasser einen temporären metallähnlichen Zustand zu erzeugen. Dies veränderte die Übertragung von Terahertz-Pulsen über Zeitskalen von nur zehn Femtosekunden.

Da sich die neuesten halbleiterbasierten Schalter den grundlegenden Obergrenzen ihrer Betriebsgeschwindigkeit nähern, sind Forscher auf der Suche nach schnelleren Wegen zum Schalten von Signalen. Ein unerwarteter Ort, um nach Inspiration zu suchen, ist das merkwürdige Verhalten von Wasser unter extremen Bedingungen – wie jenen tief in Eisriesenplaneten oder von starken Lasern erzeugt.

Molekulardynamiksimulationen deuten darauf hin, dass Wasser bei Drücken von 300 GPa und Temperaturen von 7000 K in einen metallischen Zustand übergeht. Während solche Bedingungen auf der Erde nicht vorkommen, ist es möglich, dass dieser Zustand zu den Magnetfeldern von Uranus und Neptun beiträgt. Um diesen Effekt näher an der Heimat zu untersuchen, wurden in jüngsten Experimenten leistungsstarke, ultrakurze Laserpulse verwendet, um in wasserbasierten Lösungen eine Photoionisation auszulösen – wodurch flüchtige, metallähnliche Zustände erzeugt wurden.

Flüssigkeitsstrahl

In der Studie feuerte das Trio in Bochum Laserimpulse auf eine wasserbasierte Natriumiodidlösung. Die Lösung wurde aus einer Spezialdüse gesprüht, die den Flüssigkeitsstrahl zu einer mikrometerdicken Schicht glättete. Wenn es einem intensiven optischen Laserpuls ausgesetzt wird, der 50 fs dauert, werden Elektronen aus den Iodidionen in das Leitungsband des flüssigen Wassers angeregt. Durch diesen „Pump“-Impuls verhält sich das Wasser zumindest vorübergehend wie ein Metall.

Wasser erweist sich an Grenzflächen als elektrisch tot

In diesem metallähnlichen Zustand verändern sich die optischen Eigenschaften des Wassers vorübergehend. Um diese Veränderung festzustellen, feuerten Buchmann, Hoberg und Novelli einen „Sonden“-Impuls aus Terahertz-Strahlung auf das Wasser und maßen, wie viel des Sondenimpulses durch das Wasser übertragen wurde. Als sich die Pump- und Sondenimpulse ohne Verzögerung überlappten, stellten sie fest, dass die Übertragung im Vergleich zur Übertragung ohne Pumpimpuls um 20 % abnahm. Durch die Erhöhung der Verzögerung zwischen Pumpe und Sonde stellte das Team fest, dass es nur 70 fs dauerte, bis sich das Wasser von einem Metallzustand in seinen Normalzustand entspannte.

Die Terahertz-Sondenpulse waren etwa 1 ps lang, was deutlich länger ist als der Pumppuls und die Relaxationszeit des Wassers. Dadurch konnte das Team die Formen der übertragenen Sondenimpulse ändern und die Frequenzen in den Impulsen zu höheren Werten verschieben. Das Trio sagt, dass dieser Frequenzverschiebungseffekt nützliche Anwendungen in Experimenten haben könnte.

Mit Blick in die Zukunft hofft das Trio, mit seiner Forschung den Weg für ein neues Feld der „Wasserelektronik“ ebnen zu können. Mit einer Schaltzeit von nur 70 fs ist Wasser bereits doppelt so schnell wie die besten Halbleiterschalter, die für einen Zustandswechsel etwa 150 fs benötigen.

Die Forschung ist beschrieben in APL Photonik.