In Zukunft könnten in der Informationstechnologie Transistoren zum Einsatz kommen, die mit Licht statt mit Strom funktionieren. Forschenden der ETH Zürich ist es gelungen, eine Vorstufe solcher optischer Transistoren zu entwickeln: einen ultraschnellen Schalter, den man mit einem einzelnen Lichtteilchen ein- und ausschalten kann.
Transistoren sind das Herzstück jeder elektronischen Schaltung: In jedem Computer, jedem Handy und jedem Radiogerät stecken Halbleiterchips, in die unzählige winzige Transistoren integriert sind. Transistoren haben dabei eine Doppelfunktion. Sie sind einerseits Schalter, die von Elektronen gesteuert werden. Andererseits sind es Verstärker, die im «eingeschalteten» Zustand einen Strom an Elektronen verstärken und im «ausgeschalteten» Zustand den Stromfluss unterbinden.
An einem Transistor einer anderen Art forschen seit Längerem Physiker der ETH Zürich: an einem sogenannten optischen Transistor. Ein solcher hat dieselben Funktionen wie sein konventioneller Cousin, allerdings sind es dabei nicht Elektronen, die Elektronen steuern, sondern Lichtteilchen (Photonen), die Lichtteilchen steuern. Nun haben Forscher der Gruppe von Atac Imamoglu, Professor für Quantenphotonik, eine wichtige Vorstufe in der Entwicklung eines solchen Transistors erreicht. Es ist ihnen als Erste gelungen, einen ultraschnellen optischen Schalter auf Halbleiterbasis herzustellen, der von einzelnen Photonen gesteuert werden kann.
Die Abmessungen des Schalters der ETH-Forscher liegen im Nanometerbereich. Aufgebaut ist der Schalter aus zwei Komponenten: einem Nano-Tröpfchen aus Indiumarsenid (einem sogenannten Quantenpunkt) und einem «Lichtkäfig» aus Galliumarsenid (einem sogenannnten photonischen Kristall-Resonator), in den das Tröpfchen eingebettet ist. Das Bauteil hat unter anderem die Eigenschaft, für Lichtteilchen einer bestimmten Wellenlänge und Farbe durchsichtig zu sein, Lichtteilchen einer anderen Wellenlänge und Farbe jedoch aufzunehmen, kurz danach wieder abzugeben und sie so zu reflektieren.
Nennen wir die beiden Farben der Photonen der Einfachheit halber rot und blau. Befindet sich das Bauteil in seinem quantenphysikalischen Grundzustand und schicken die Physiker ein rotes Laser-Photon darauf, passiert im Innern des Bauteils gar nichts: Das Photon durchdringt es, ohne dass es zu einer Wechselwirkung kommt. Ein blaues Photon hingegen wechselwirkt mit dem Bauteil, es erzeugt darin für kurze Zeit ein elektrisches Feld, wodurch das optische System in seinen quantenphysikalischen Eigenschaften verändert wird. Trifft nun zusätzlich ein rotes Photon auf dieses so angeregte System, wechselwirken die beiden Photonen miteinander, wodurch das rote Lichtteilchen vom Bauteil reflektiert wird. Mit einem blauen Photon kann also «geschaltet» werden, ob ein rotes Photon das System durchdringt oder vom System reflektiert wird.
Schnellster optischer Schalter
«Die Wellenlängen der Photonen und des Schalters müssen genau aufeinander abgestimmt sein, um die Schaltwirkung zu ermöglichen», erklären Oberassistent Thomas Volz und ETH-Doktorand Andreas Reinhard, die beiden Erstautoren einer jüngst in der Fachzeitschrift «Nature Photonics» veröffentlichten Forschungsarbeit. Die ganz speziellen Eigenschaften des Systems erlauben es zudem, dass dieses sehr schnell angeregt werden kann, dieser angeregte Zustand aber ebenso schnell wieder zerfällt. «Unser Schalter kann innerhalb von nur 50 Pikosekunden ein- und ausgeschaltet werden, das sind 50 Billionstel einer Sekunde», erklären die Forscher. Damit ist der Schalter der derzeit schnellste, der von einem einzigen Photon geschaltet werden kann.
Mit dem optischen Nanoschalter haben die ETH-Forscher nun den Kern eines optischen Transistors entwickelt, wie er in Zukunft beispielsweise in der Quantenkommunikation zum Einsatz kommen könnte. Bei der Quantenkommunikation geht es darum, Daten mithilfe quantenphysikalischer Phänomene zu übermitteln.
Mit ihrem gegenwärtigen System können die Wissenschaftler mit einem einzelnen Photon ein anderes Photon schalten. Die Forscher bezeichnen ihr System daher als Schalter. Erst ein System, mit dem mit einem Lichtteilchen mehrere andere Lichtteilchen geschaltet werden können, würde man als Transistor bezeichnen. Doch für diese Verstärkerfunktion steht der experimentelle Beweis noch aus. «Nach unseren Berechnungen sollte es mit einem System wie dem unseren allerdings prinzipiell möglich sein, mehrere Photonen zu schalten», sagen die Physiker. Der Weg zu einem schnellen Einzelphotonen-Transistor ist also vorgespurt.
