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Campus Wuppertal: Uni erforscht ultraschnellen Transistor

Campus Wuppertal : Uni erforscht ultraschnellen Transistor

Arbeitsgruppe um Professor Ullrich Scherf entwickelt Material zur Übertragung von Informationen per optischer Signale. Technik soll Bau von Quantencomputern ermöglichen.

Angesichts des momentan vieldiskutierten Themas „Internet of Things“ (Internet der Dinge) und der fortschreitenden Vernetzung der analogen mit der digitalen Welt spielen Technologien zur Beschleunigung der Informationsverarbeitung eine wichtige Rolle. An dieser Nahtstelle forschen Professor Dr. Ullrich Scherf und seine Arbeitsgruppe „Makromolekulare Chemie“ der Bergischen Uni. Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit dem IBM Research Lab Zürich und dem Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Moskau konnten die Wuppertaler ein Material für einen Transistor entwickeln, der nicht mehr mit Strom beziehungsweise Spannung arbeitet, sondern mit Licht. Zudem kann der Transistor bei Raumtemperatur betrieben werden.

Der neue Transistor ermögliche eine deutlich höhere Rechenleistung und eine „größere Schaltgeschwindigkeit“, sagt Professor Scherf. Schalt-Frequenzen im sogenannten Terahertz-Bereich seien damit möglich, erklärt der Wissenschaftler der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften. Das entspräche einer Leistung von mehr als 1000 Gigahertz, ein Bereich der mit Siliziumtransistoren nicht zugänglich sei. „Die heutigen Prozessoren arbeiten im einstelligen Gigahertzbereich. Das heißt: Der optische Transistor ist einige hundert Mal schneller“, erklärt Scherf.

Professor Scherf und sein Team forschen an der Bergischen Wuppertal im Bereich der Materialwissenschaften und der Chemie von Funktionspolymeren – also chemischen Verbindungen, die aus vielen identischen, zu einer Kette aufgereihten Struktureinheiten bestehen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf organischen, halbleitenden Polymermaterialien. Dabei würden Kohlenstoff und Wasserstoff verwendet, erklärt der Professor.

Transistoren sind die elektronischen Bausteine der heutigen Computer. Mit der Entwicklung neuartiger Transistoren verbindet die Halbleiterbranche die Hoffnung auf einen Innovationsschub. „Die heutige Computerchip-Technologie ist an eine Grenze gestoßen“, sagt Scherf. Herkömmliche Transistoren, die aus elektronischen Bauelementen bestehen, könnten zum Beispiel den zwischen Großrechnern gewünschten Datenaustausch nicht mehr gewährleisten. Zudem wäre ein rein optischer ultraschneller Transistor ein wichtiger Baustein für die Entwicklung eines Quantencomputers, also eines Computers, der auf der Basis der Quantenmechanik arbeitet und deutlich leistungsfähiger wäre als die bisherigen Rechner.

IBM ist eines der Unternehmen, die auf diesem Feld intensiv forschen. Im Januar präsentierte der amerikanische Computerhersteller auf einer Messe in Las Vegas den weltweit ersten kommerziellen Quantencomputer, der mit einer Leistung von 20 Quantenbits arbeitet. Bislang steht die Forschung im Bereich Quantencomputer allerdings noch im „Stadium des Experiments“, wie Scherf einräumt. Die Experten gehen davon aus, dass es Quantencomputer außerhalb der Laborsituation erst in einigen Jahrzehnten geben wird. Allerdings kann diese Einschätzung durch technische Innovationen auch schnell wieder über den Haufen geworfen werden.

Um ein optisches Signal mit einem anderen optischen Signal zu schalten oder zu verstärken, wurden von der Wuppertaler Arbeitsgruppe bereitgestellte, halbleitende Funktionspolymere als sehr dünne Schicht (35 Nanometer) zwischen zwei reflektiven Spiegeln in einem Mikroresonator – einer Art Lichtsammler – eingeschlossen und zum Aufbau von optischen Transistoren verwendet. „Die Resultate stellen einen vielversprechenden Zugang zu rein optischen Bauelementen dar“, erklärt Professor Scherf. Es handle sich allerdings noch um reine Grundlagen- oder – wie Scherf sagt – „Vorlaufforschung“ für die Entwicklung entsprechender Technologien.

An der Übertragung von Informationen per Licht wird übrigens schon seit rund 50 Jahren geforscht. Bislang mussten die Bauelemente allerdings für den Betrieb heruntergekühlt werden. Dieses aufwendige Verfahren ist bei dem an der Bergischen Uni mitentwickelten Material für den Transistor nicht mehr nötig. „Das neue Material erlaubt den Betrieb bei Raumtemperatur“, sagt der Professor.