Zum ersten Mal hat ein internationales Forscherteam, einschließlich des Instituts für Festkörperphysik der Universität Tokio, einen Schalter demonstriert, der analog zu einem Transistor aus einem einzigen Molekül namens Fulleren besteht.
Durch die Verwendung eines sorgfältig abgestimmten Laserpulses können die Forscher Fullerene verwenden, um den Weg eines einfallenden Elektrons auf vorhersagbare Weise zu ändern. Dieser Schaltvorgang kann je nach verwendeten Laserpulsen um drei bis sechs Größenordnungen schneller sein als Schalter in Mikrochips. Fullerene-Schalter in einem Netzwerk könnten einen Computer produzieren, der über das hinausgeht, was mit elektronischen Transistoren möglich ist, und sie könnten auch zu beispiellosen Auflösungsniveaus in mikroskopischen Bildgebungsgeräten führen.
Vor mehr als 70 Jahren entdeckten Physiker, dass Moleküle bei elektrischen Feldern und später bei bestimmten Lichtwellenlängen Elektronen aussenden. Die Elektronenemissionen erzeugten Muster, die neugierig machten, sich aber einer Erklärung entzogen. Dies hat sich dank einer neuen theoretischen Analyse geändert, deren Verzweigung nicht nur zu neuen Hightech-Anwendungen führen, sondern auch unsere Fähigkeit verbessern könnte, die physische Welt selbst zu untersuchen.
Der Projektforscher Hirofumi Yanagisawa und sein Team theoretisierten, wie sich die Emission von Elektronen aus angeregten Fullerenmolekülen verhalten sollte, wenn sie bestimmten Arten von Laserlicht ausgesetzt werden, und als sie ihre Vorhersagen testeten, stellten sie fest, dass sie richtig waren.
„Was uns hier gelungen ist, ist die Steuerung der Art und Weise, wie ein Molekül den Weg eines ankommenden Elektrons mit einem sehr kurzen Impuls aus rotem Laserlicht lenkt“, sagte Yanagisawa. „Je nach Lichtimpuls kann das Elektron entweder auf seinem vorgegebenen Kurs bleiben oder vorhersehbar umgelenkt werden. Das ist also ein bisschen wie bei den Weichen an einem Gleis oder einem elektronischen Transistor, nur viel schneller.
„Wir glauben, dass wir eine Schaltgeschwindigkeit erreichen können, die 1 Million Mal schneller ist als bei einem klassischen Transistor. Und dies könnte sich in der realen Welt der Computerleistung niederschlagen. Aber ebenso wichtig ist, dass wir den Laser so einstellen können, dass er das Fullerenmolekül dazu bringt, auf mehrere Arten zu schalten Gleichzeitig könnte es so sein, als hätte man mehrere mikroskopisch kleine Transistoren in einem einzigen Molekül. Das könnte die Komplexität eines Systems erhöhen, ohne seine physische Größe zu erhöhen.“
Das Fullerenmolekül, das dem Schalter zugrunde liegt, ist mit der vielleicht etwas bekannteren Kohlenstoffnanoröhre verwandt, obwohl Fulleren keine Röhre, sondern eine Kugel aus Kohlenstoffatomen ist. Wenn sie auf einem Metallpunkt platziert werden – im Wesentlichen das Ende einer Nadel – orientieren sich die Fullerene in einer bestimmten Weise, sodass sie Elektronen vorhersagbar lenken. Schnelle Laserpulse im Bereich von Femtosekunden, Billiardstel Sekunden oder sogar Attosekunden, Quintillionstel Sekunden, werden auf die Fullerenmoleküle fokussiert, um die Emission von Elektronen auszulösen. Dies ist das erste Mal, dass Laserlicht verwendet wurde, um die Emission von Elektronen aus einem Molekül auf diese Weise zu steuern.
„Diese Technik ähnelt der Art und Weise, wie ein Photoelektronenemissionsmikroskop Bilder erzeugt“, sagte Yanagisawa. „Allerdings erreichen diese bestenfalls Auflösungen um die 10 Nanometer oder Zehnmilliardstel Meter. Unser Fulleren-Schalter verstärkt dies und ermöglicht Auflösungen um die 300 Pikometer oder dreihundert Billionstel Meter.“
Da mehrere ultraschnelle Elektronenschalter zu einem einzigen Molekül kombiniert werden können, wäre im Prinzip nur ein kleines Netzwerk von Fullerenschaltern erforderlich, um Rechenaufgaben möglicherweise viel schneller als herkömmliche Mikrochips auszuführen. Aber es gibt noch einige Hürden zu überwinden, wie zum Beispiel die Miniaturisierung der Laserkomponente, die für die Entwicklung dieser neuen Art von integrierten Schaltkreisen unerlässlich wäre. Es kann also noch viele Jahre dauern, bis wir ein Fullerene-Switch-basiertes Smartphone sehen.
Mehr Informationen:
Hirofumi Yanagisawa et al, Lichtinduzierte subnanometrische Modulation einer Einzelmolekül-Elektronenquelle, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). Zur Veröffentlichung angenommen: journals.aps.org/prl/accepted/ … 1f878cb957c762bf19f8