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Optoelektronik: Nicht so schnell, bitte!

Widersinnig! Damit elektrische Schaltungen mit Licht arbeiten können, muss es oft erst sehr viel langsamer gemacht werden.
Optoelektroniker haben einen Traum: Sie wollen besonders schnelle Elektroniken konzipieren, indem sie beim Datentransfer auf die ordinären, trägen Leitungselektronen verzichten, die sich auf hoch integrierten Schaltkreisen durch immer engere Drähte oder Verbindungen quetschen müssen. Stattdessen wollen sie mit blitzschnellem Licht arbeiten.

Denn Licht als Informationsträger ist nicht nur von Natur aus flotter als alles andere auf der Welt; Glasfaserkabel und Lichtwellenleiter haben noch weitere wichtige technische Vorteile: Beispielsweise erlauben sie immens hohe Übertragungsraten, sie sind verhältnismäßig billig und sie lassen sich durch elektrische oder magnetische Felder kaum stören. Kein Wunder also, dass die Datenübertragung mit Lichtleitern bereits heute das Rückgrat vieler Computernetzwerke bildet. Doch endet der Lichtzauber spätestens am Eingang eines Mikrochips. Die heute gebräuchlichen elektronischen Schaltungen auf Siliziumbasis sind für den Lichttransport noch vollkommen ungeeignet.

Daher arbeiten Myriaden von Tüftlern daran, Licht aufs oder ins Silizium zu bringen. Dazu allerdings müssen sie es erst einmal massiv zügeln, wobei es bereits einige, mehr oder weniger Erfolg versprechende Ansätze gibt. Einen besonders geschickten wollen nun Forscher um Yurii Vlasov vom amerikanischen T.J. Watson Research Center der IBM in Yorktown Heights gefunden haben: Sie können einen Lichtpuls auf weniger als drei Hundertstel seiner Geschwindigkeit abbremsen, mit der er sich normalerweise ausbreitet. Zugleich können sie durch Erhitzen ihres Bauelements die Geschwindigkeit des Lichts um etwa den Faktor drei variieren.

Wie einige andere Arbeitsgruppen experimentieren die vier Wissenschaftler mit so genannten photonischen Kristallen. Das sind strukturierte Halbleiter, die so geformt sind, das sich elektromagnetische Wellen nur in einer gewünschten Art und Weise darin ausbreiten können. Die periodische Geometrie des inneren Aufbaus – woher sich auch die Bezeichnung "Kristall" erklärt – liegt oft in der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Die Probe der vier Amerikaner sieht unter dem Mikroskop betrachtet aus wie ein Autobahntunnel, der eine Hin- und eine Gegenfahrbahn besitzt. Die Tunnelabdeckung ist jedoch nicht "massiv", sondern weist eine Unzahl regelmäßig angeordneter Löcher auf, deren Durchmesser kleiner sind als die Wellenlänge des infraroten Laserlichts, mit dem die Experimentatoren ihre Versuche durchführten. Daher dringt es durch diese Öffnungen nicht nach außen. Im Gegenteil: Die Löcher verhindern, dass es entweicht.

Auf diese Weise eingesperrt, vermindert die Strahlung rapide ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit – ein Effekt übrigens, den man ebenso auf Autobahnen beobachten kann: Viele Fahrer reduzieren bei Einfahrt in einen Tunnel erst einmal ihr Tempo. Erhitzten die Forscher zudem die Struktur, änderte sich die Geometrie des Prototyps, und das Licht nimmt unterschiedliche Geschwindigkeiten an.

Die Wissenschaftler hoffen nun, dass es mit derartigen Strukturen dereinst gelingen möge, leistungsfähige, optoelektronische Computerbauelemente zu konstruieren, um die herkömmliche Elektronik ablösen. Doch bis dahin, so geben die Experimentatoren zu, ist noch ein weiter Weg. Aber wie sagt ein asiatisches Sprichwort: "Auch der längste Weg beginnt mit dem ersten Schritt."

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