Dr. Martin Silies: HIL4PhotonSwitch

Computer mit optischen Schaltkreisen rechnen viel schneller als herkömmliche Computer. Dr. Martin Silies erforscht im Projekt HIL4PhotonSwitch die Funktionsweise eines auf Licht basierenden, ultraschnellen Transistors.

Tagtäglich werden sie milliarden- und billionenfach verwendet: Elektronische Transistoren dienen in jedem Smartphone oder Computer als kleinstmögliche Recheneinheit. In diesen Transistoren wird elektrischer Strom dazu verwendet, den Informationsfluss in Form von elektrischem Strom gezielt an- und auszu-schalten und somit Rechenoperationen durchzuführen. Diese Transistoren sind mittlerweile nur noch wenige 10 nm groß. Einer weiteren Miniaturisierung dieser Bauteile und schnellere Prozessoren sind jedoch physikalische Grenzen gesetzt, die bald erreicht sind.

Im Projekt HIL4PhotonSwitch („Herstellung von metallischen Nanostrukturen mit nm-Strukturabstand durch Helium-Ionen-Lithographie zum Bau eines photonischen Transistors") soll dieses Problem gelöst und ein völlig neuer Transistor entwickelt werden.
Anstelle des Stromes soll hier Licht, genauer gesagt seine Bestandteile – die Photonen – dazu verwendet werden, den Informationsfluss gezielt zu steuern. Photonen lassen sich jedoch sehr ungern auf kleinstem  Raum einsperren, einer Grundbedingung für moderne Transistoren. Zusätzlich reagieren sie kaum mit anderen Photonen, einer weiteren Bedingungen für einen funktionierenden photonischen Schalter.
Im Projekt HIL4PhotonSwitch werden extrem kleine, mit der neuartigen Methode der Helium-Ionen-basierten Lithographie – einem Verfahren zur Strukturgebung – hergestellte metallische Strukturen verwendet. Durch die sehr feine Strukturierung entstehen Schalter, die nur aus wenigen Molekülen bestehen und mit Licht wechselwirken können.

Das Signal, ein Lichtimpuls, wird dafür in einen metallischen Draht geleitet, er wird eingekoppelt. Dieses Signal bewegt sich nun innerhalb des Drahtes als eine an das Metall gebundene Welle - ein sogenanntes Plasmon. Am Ende des ersten Drahtes trifft das Plasmon auf einzelne oder wenige Farbstoffmoleküle, die als Schaltermaterial dienen. Dieses spezielle Material  kann das Plasmon nun stoppen - also absorbieren - oder es passieren lassen. Wird es durchgelassen, kann sich das Plasmon über den zweiten metallischen Draht ausbreiten und wieder ausgekoppelt werden. Ob der Schalter nun geschlossen oder geöffnet ist, steuert ein zweiter Lichtpuls, der über einen zusätzlichen metallischen Draht an die Farbstoffmoleküle gebunden ist. Trifft der Kontrollpuls vor dem Signalpuls auf das Farbstoffmolekül, so wird es für den Signalpuls durchsichtig, der Schalter ist offen. Trifft der Signalpuls vor dem Kontrollpuls auf das Molekül, so wird der Signalpuls gestoppt, der Schalter ist geschlossen. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Schalter geöffnet und geschlossen werden kann, liegt im Bereich von einigen hundert Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Damit übertrifft die Geschwindigkeit des optischen Schalters die jedes elektronischen Transistors um mehrere Größenordnungen.

In diesem Projekt versuchen Dr. Martin Silies und sein Team, einen solchen Schalter erstmals zu realisieren und zu testen. Dabei interessieren sich die Wissenschaftler vor allem für die hohe Taktfrequenz, die mit einem solchen Schalter erreicht werden kann.

Nachwuchsgruppenleiter

Dr. Martin Silies studierte nach dem Abitur zunächst an der Fachhochschule Münster „Physikalische Technik“. Nach dem Diplom im Jahre 2002 promovierte er  erfolgreich in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Helmut Zacharias an der Westfälischen Wilhelms-Universität in Münster. Seit 2009 ist Herr Dr. Silies als wissenschaftlicher Mitarbeiter und akademischer Rat in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Lienau an der Carl von Ossietzky-Universität in Oldenburg tätig, wo er sich mit der Wechselwirkung von ultrakurzen Lichtimpulsen mit nanostrukturierten Metallen und Dielektrika beschäftigt. Seit April 2015 leitet er die BMBF-Nachwuchsforschergruppe HIL4PhotonSwitch.