Der Fluss elektrischer Ladungen durch Widerstände, Kondensatoren oder Transistoren ist die Grundlage heutiger Standardelektronik, beispielsweise in Mobiltelefonen oder Computern. Zumeist werden dabei Elektronen oder so genannte "Löcher" von elektrischen Spannungen getrieben. Löcher sind sozusagen Fehlstellen, bei denen die Abwesenheit von Elektronen wirkt, als gäbe es an dieser Stelle einen positiven Ladungsträger.

Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, Informationen zu verarbeiten. Schließlich bestehen digitale Daten ausschließlich aus Einheiten, die mathematisch durch Einsen oder Nullen repräsentiert werden können. In der Standardelektronik bedeutet das heute normalerweise, dass durch einen Transistor ein Strom fließt oder nicht.

In jüngster Zeit versuchen Experimentatoren allerdings neue Arten von Elektroniken zu entwickeln. Ein Erfolg versprechendes Konzept ist die so genannte "Spintronik". Sie nutzt die Tatsache, dass Elektronen einen Eigendrehimpuls besitzen. Der wird von Physikern Spin genannt – woher sich auch der Name Spintronik ableitet. Der Eigendrehimpuls wirkt so, als haftete dem Elektron eine winzige Magnetnadel an. Diese richtet sich in einem externen Magnetfeld aus: Entweder der Spin zeigt in Richtung Magnetfeld oder er zeigt ihm entgegen. Das lässt sich in der Informationstechnik als Null oder Eins interpretieren.

Diese Technik, wenngleich noch sehr unausgereift, hätte viele Vorteile: das gezielte Umklappen eines Spins benötigt in der Regel sehr viel weniger Energie als ein Stromfluss. Elektronische Geräte würden deswegen beispielsweise sparsamer arbeiten und sich nicht so schnell erhitzen. Wahrscheinlich könnten sie deswegen auch kompakter konstruiert werden.

Suche nach dem dritten Weg

Seit wenigen Jahren untersuchen Physiker nun einen dritten Weg in eine neue Ära der Elektronik. Die ersten Ideen dafür stammen aus dem Jahr 2002, doch das Forschungsfeld blieb weitgehend unter dem Radar der Öffentlichkeit – nicht einmal einen Wikipediaeintrag gibt es bislang. Im angelsächsischen Sprachgebrauch spricht man von valleytronics, also etwas krude übersetzt: "Tal-tronik". Vereinfacht gesagt besteht der Trick darin, Elektronen dazu zu zwingen, sich nur in bestimmten energetisch günstigen "Tälern" anzuordnen und sie dann von einem ins andere zu bugsieren.

Rechnen mit Tälern
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Das Energiespektrum des Leitungsbands von Atomen weist Täler auf, in denen sich Elektronen sammeln und manipulieren lassen. Das könnte den Weg in eine neue Art der Informationsverarbeitung eröffnen.

Die Wissenschaftler nutzen dabei elektronische Eigenschaften von Festkörpern wie Diamant oder zweidimensionalen Verbindungen wie Molybdändisulfid [1]. Dort, wie auch in vielen Metallen oder Halbleitern, sind die Atome gitter- oder netzartig angeordnet. Zudem stehen sie recht nah beieinander. Das hat zur Folge, dass die am weitesten vom Atomkern entfernt gelegenen Elektronen sich nicht mehr nur ihrem eigenen Kern zugehörig fühlen, sondern gleichfalls die elektrischen Felder der Nachbarn spüren. Bei Metallen führt das beispielsweise dazu, dass einige Elektronen sich gänzlich von ihren Atomrümpfen lösen und sich frei im gesamten Festkörper bewegen können – das ist eine Grundvoraussetzung für Stromfluss. Die nun freien Ladungsträger werden daher auch Leitungselektronen genannt.

Elektronenversammeln im Tal

Ähnliches gilt in einem Halbleiter. Um sich dort frei bewegen zu können, müssen die Elektronen hier jedoch eine so genannte Energie- oder Bandlücke überspringen. Sie trennt das so genannte Valenz- vom Leitungsband. Im Valenzband sind Elektronen versammelt, die sich einem Atomkern noch zugehörig fühlen und bei ihm bleiben. Im Leitungsband befinden sich dagegen die Ladungsträger, die sich wie in einem Metall frei bewegen können.

Leitungs- und Valenzband können nun bezüglich der Energie- respektive Impulsverteilung der dazugehörigen Elektronen unterschiedlich ausgeformt sein: Es kann Maxima enthalten oder Minima, wobei die Minima des Energiespektrums des Leitungsbandes in Diagrammen typischerweise als Täler dargestellt werden – die "valleys" der Valleytronik. Dort können sich Ladungsträger sammeln. Die Kristalle des Diamants besitzen beispielsweise sechs solcher symmetrisch angeordneter Senken, von denen sich immer zwei direkt gegenüberliegen.

Nun sind normalerweise alle Täler in etwa gleich stark mit Ladungsträgern besetzt. Gelänge es nun, dort gezielt Elektronen oder Löcher anzuhäufen und diese Ladungen anschließend nach Belieben zu verschieben, dann ließe sich damit ebenso eine binäre Informationsverarbeitung konstruieren – und dann elektronische Bauteile bauen und so am Ende vielleicht einen Computer.

Einfangen, verschieben und schalten

Genau dies ist nun einer Arbeitsgruppe um Jan Isberg von der schwedischen Universität Uppsala gelungen [2]. Mit ihrer Demonstration könnten sie der weiteren Erforschung der Valleytronik womöglich zum Durchbruch verholfen haben, heißt es in Fachkreisen. "Die Ergebnisse sind vielversprechend, was die künftige Realisierbarkeit von Valleytronik-Anwendung angeht", urteilt beispielsweise Christoph Nebel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg in einem Begleitkommentar [3] zur Veröffentlichung der Forscher um Isberg.

Die Arbeitsgruppe aus schwedischen, schweizerischen sowie britischen Physikern experimentierte mit hochreinem Diamant, der sehr hohe elektrische Felder verträgt. Auf Grund seiner Bandlücke von 5,5 Elektronenvolt ist der Kristall aus Kohlenstoffatomen wie Silizium ein Halbleitermaterial. Den Wissenschaftlern gelang es nun, die Ladungsträger in den entsprechenden Tälern des Leitungsbandes von Diamanten zu sammeln, wobei sie diesen Zustand über eine Zeitspanne von rund 300 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden; ein Lichtstrahl würde in dieser Zeit nur rund 30 Zentimeter zurücklegen) aufrecht erhalten konnten.

Zusätzlich verschoben sie währenddessen mit Hilfe elektrischer Felder die eingefangenen Ladungsträger über eine Entfernung von 0,7 Millimeter – eine durchaus erhebliche Distanz, bedenkt man, wie winzig und dicht gepackt die Bauteile auf heutigen Computerchips sind.

Um die Vorrichtung zu schalten, legten die Forscher sodann elektrische Felder von zehntausend Volt pro Zentimeter an. Dadurch verlagerten sie die Elektronen von einem Tal des Leitungsbandes zu einem benachbarten. Nicht einmal zehn Pikosekunden (Billionstel Sekunden, ein Lichtstrahl käme in dieser Zeit gerade einmal rund 3 Millimeter weit) nahm dieser Vorgang in Anspruch – deutlich schneller als bei heutigen Gigahertz-Computerprozessoren, deren Schaltzeiten sich in Nanosekunden messen.

Extrem im Minus

Allerdings müssen an herkömmlichen Rechnern auch keine Spannungen von einigen tausend Volt anliegen. Das aber scheint bei Isenbergs Valleytronik Bauteil bislang noch unabdingbar zu sein: Zwar ließ sich der Diamant auch mit unter 200 Volt pro Zentimeter schalten, nur dauerte der Vorgang dann mit rund einhundert Nanosekunden erheblich länger.

Überhaupt ist es um die Praxistauglichkeit des Ansatzes nicht gerade gut bestellt. Die Zeitspanne von 300 Nanosekunden, in denen die Forscher die Elektronen kontrollieren konnten, dürfte zwar ausreichen, um schnelle Berechnungen durchzuführen. Doch gelang ihnen das nur, wenn sie den Diamanten auf rund minus 196 Grad Celsius kühlten. Solche extremen Minusgrade erreichen Experimentatoren heutzutage routinemäßig durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff, dem Einsatz in der Gebrauchselektronik stehen diese Temperaturanforderungen freilich entgegen: Sollte die Valleytronik eines Tages ihren Weg in alltägliche Geräte finden, müsste das Verfahren auch mit zivileren Temperaturen auskommen.

Dementsprechend betrachten die Wissenschaftler ihre Arbeiten als reine Grundlagenforschung. Valleytronik siedelt sich zwischen der heute üblichen, transistorbasierten Technik an, die mit elektrischen Ladungen, also dem Verschieben von Elektronen arbeitet, und der Spintronik, die die magnetischen Momente der Elektronen ausnutzt. Ob jedoch wirklich jemals Platz sein wird für diese dritte Art von Elektronik, steht noch in den Sternen. Mit Prognosen, welche elektronischen Bausteine in dieser Technik einmal gebaut werden könnten, sind die Experimentatoren zumindest noch sehr vorsichtig. Sie eröffnen jedoch die Möglichkeit, völlig neuartige elektronische Elemente zu konstruieren.

Ewig lockt der Quantencomputer

Diamanten sind beispielsweise – genau wie die mikroskopisch kleinen Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder das nur eine Atomlage dicke und ebenfalls aus reinem Kohlenstoff bestehende Graphen – heiße Kandidaten für künftige Quantencomputer. Mit ihnen müssten sich verschiedene Aufgaben deutlich schneller lösen lassen als mit herkömmlichen Rechnern. Ferner ließen sich aus Diamanten künftig hochempfindliche Magnetsensoren bauen sowie Lichtquellen, die einzelne Photonen abgeben, was für die Übertragung von Quanteninformationen wichtig ist.

"Es ist aber noch ein langer Weg, bis aus der Valleytronik eine nutzbringende Technik entsteht", vermutet zumindest Daniel Gunlycke vom südwestlich von Washington, D.C. liegenden Naval Research Laboratory in den Vereinigten Staaten, dessen Arbeitsgruppe entsprechende Studien an Graphen vornimmt [4]. Doch als der Transistor erfunden wurde, hatte sich ja auch keiner zu träumen gewagt, dass dieses kleine elektronische Bauteil einmal unser ganzes Leben umkrempeln würde.