(openPR) Ein Kieler Forschungsteam weist einen bislang unbekannten Effekt in Graphen nach, einer atomar dünnen Kohlenstoffschicht, deren Entdeckung 2010 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. Seit Jahren gilt Graphen als Hoffnungsträger für die Nanoelektronik – dank seiner außergewöhnlichen Leitfähigkeit, Flexibilität und Stabilität. Nun gehen die Ergebnisse von Forschenden vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) einen Schritt weiter.
Dr. Jan-Philip Joost und Professor Michael Bonitz zeigen in Physical Review Research erstmals: Lichtpulse steuern Elektronen gezielt an bestimmten Stellen im Material. Um die Bewegung und Wechselwirkungen der Elektronen zu untersuchen, simulierten sie die Effekte der Lichtpulse auf kleine Graphen-Cluster am Computer. Die Ergebnisse eröffnen völlig neue Ansätze für die Nanoelektronik.
Lichtpulse als nanoskalige Schalter
Kurze Laserpulse funktionieren in diesen Systemen wie ultraschnelle Lichtschalter. Innerhalb von Femtosekunden – Millionstel einer Milliardstel Sekunde – schalten sie Elektronen an genau festgelegten Stellen ein und aus. Trifft ein Puls den Graphen-Cluster, sammeln sich die Elektronen an einem Rand. Ein zweiter Puls erzeugt Elektronen blitzschnell an eine andere Stelle. Die Forschenden dirigieren die Elektronen präzise – vergleichbar mit einem Lichtsignal, das ihnen vorgibt, wohin sie sich bewegen.
„Wir haben diese räumliche Selektivität in einem chemisch völlig homogenen Material entdeckt – Graphen besteht nur aus Kohlenstoff“, erklärt Michael Bonitz. „Bisher war ein solcher Effekt nur von Molekülen bekannt, die aus verschiedenen Atomen aufgebaut sind und dadurch unterschiedliche Absorptionseigenschaften besitzen. In unseren Graphen-Clustern entsteht die Steuerung allein durch die elektronische Struktur und durch spezielle topologische Zustände. Selbst bei kleinen Störungen bleiben die Elektronenpositionen stabil, sodass die Steuerung zuverlässig funktioniert.“
Herausforderungen bei der Integration in reale Bauteile
Die Ergebnisse können einen entscheidenden Fortschritt für die Elektronik von morgen ermöglichen. Heute arbeiten Transistoren im Gigahertz-Bereich. Mit Laserpulsen geschaltete Graphen-Bauteile könnten im Petahertz-Bereich schalten – bis zu 10.000-mal schneller.
In Kommunikationssystemen ermöglichen präzise Elektronenwege schnelle Datenübertragung bei geringem Energieverbrauch. Das eröffnet neue Möglichkeiten für Hochleistungsrechner, KI-Chips und andere ultraschnelle Elektroniksysteme. Noch ungelöst ist derzeit, wie die angeregten Elektronen zuverlässig in Schaltkreise eingebettet werden können.
„Wenn es gelingt, diese Prozesse in reale Bauteile zu übertragen, wäre das ein riesiger Sprung für die Nanoelektronik“, sagt Jan-Philip Joost.
Die Forschung wurde teilweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, BO1366/16) gefördert.
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Christina Anders
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Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Aus der intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieur- und Lebenswissenschaften entstehen neue Moleküle und Materialien, Sensoren und Batterien, Quantentechnologien, katalytische Verfahren, medizinische Therapien und vieles mehr. www.kinsis.uni-kiel.de
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Professor Michael Bonitz
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
0431/880-4122
https://www.itap.uni-kiel.de/theo-physik/bonitz
Originalpublikation:
Jan-Philip Joost & Michael Bonitz (2025): „Ultrafast charge separation induced by a uniform field in graphene nanoribbons“, Phys. Rev. Research 7; DOI: 10.1103/dtk9-xv6n
