Laser steuert ultraschnellen Wasserschalter

Forschende stellen ein komplett neues Konzept für Schalter mit bisher unerreichter Geschwindigkeit vor

15.12.2022 - Deutschland

Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben eine ultraschnelle Schaltung auf der Basis von Wasser entwickelt. Durch einen kurzen, aber starken Laserpuls lässt das Wasser sich innerhalb weniger als einer billionstel Sekunde (10^-12 Sekunden) in einen leitenden Zustand versetzen und verhält sich in dieser Zeit fast wie ein Metall. Damit ist die Schaltung schneller als die bisher schnellste bekannte Schaltgeschwindigkeit eines Halbleiters. Adrian Buchmann, Dr. Claudius Hoberg und Dr. Fabio Novelli vom Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, berichten in der Zeitschrift APL Photonics vom 6. Dezember 2022.

Laser lässt das Wasser sich verhalten wie ein schneller Schalter

Alle Rechenoperationen von Computern basieren auf Schaltungen. Die Geschwindigkeit, mit der ein Bauelement zwischen den Zuständen Null und Eins wechseln kann, bestimmt letztlich auch die Geschwindigkeit des Rechners. In aktuellen Computern werden Halbleiter verbaut, die elektrische Schaltungen ermöglichen. „Sie sind auf natürliche Weise in ihrer Geschwindigkeit limitiert“, erklärt Claudius Hoberg.

Er und seine Kollegen haben einen gänzlich neuen Ansatz für Schaltungen auf Wasserbasis vorgestellt. Das Wasser, in dem die Forscher Iodid-Ionen gelöst hatten – man könnte von Salzwasser sprechen – wird durch eine eigens entwickelte Düse aufgefächert, sodass es als flacher Strahl von wenigen Mikrometern Dicke fließt. „Man kann sich das so vorstellen, wie wenn man einen Schlauch zusammenpresst und so den Wasserstrahl breit und flach formt, nur viel kleiner“, erklärt Hoberg.

Durch diesen Wasserfächer wird dann ein kurzer, aber starker Laserpuls hindurchgeleitet. Der Laser befreit Elektronen aus dem im Wasser gelösten Salz, sodass das Wasser in diesem Moment bei Terhertzfrequenzen leitend wird und sich plötzlich ähnlich verhält wie ein Metall. Durch die kurze Impulsdauer des Laserpulses von 10^-14 Sekunden wird so das Wasser zum ultraschnellen Schalter. „Die Geschwindigkeit liegt im Terahertz-Bereich bei 10^-12 Sekunden“, so Claudius Hoberg. Ein weiterer Laser fragt den Zustand des Wassers ab.