Immer schneller und leistungsfähiger sollen Internetverbindungen und Rechner heute sein. Bei Computern setzen jedoch herkömmliche Hauptprozessoren (CPUs) der Leistungsfähigkeit Grenzen, indem sie beispielsweise enorme Wärme produzieren. Verantwortlich dafür sind die Millionen von Transistoren der CPUs, die elektronische Signale schalten und verstärken. Ein Quadratzentimeter CPU kann bis zu 125 Watt Wärme abgeben, das ist mehr als zehn Mal so viel wie ein Quadratzentimeter einer elektrischen Herdplatte.

Photonen statt Elektronen

Wissenschaftler versuchen deshalb seit geraumer Zeit Wege zu finden,um integrierte Schaltungen herzustellen, die auf der Basis von Photonen statt Elektronen funktionieren. Denn Photonen generieren nicht nur viel weniger Wärme als Elektronen, sondern ermöglichen auch deutlich höhere Übertragungsraten.

Heute basiert zwar ein grosser Teil der Nachrichtentechnik auf einer optischen Signalübertragung, die nötige Kodierung der Information wird aber mit Hilfe von elektronisch gesteuerten Schaltern erzeugt. Von einem kompakten optischen Transistor ist man noch weit entfernt. «Vergleicht man den derzeitigen Stand dieser Technologie mit dem der Elektronik, so befindet man sich eher bei den in den 50er Jahren üblichen Röhrenverstärkern als bei den heutigen integrierten Schaltungen», erklärt Vahid Sandoghdar, Professor am Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich.

Seine Forschungsgruppe hat nun jedoch einen entscheidenden Durchbruch geschafft, indem es ihr gelang mit einem einzelnen Molekül einen optischen Transistor zu erzeugen. Dafür nutzen sie die Tatsache, dass die Energie eines Moleküls quantisiert ist: Trifft Laserlicht auf ein Molekül, das sich in seinem Grundzustand befindet, wird das Licht absorbiert. Dies führt dazu, dass der Laserstrahl ausgelöscht wird. Andererseits ist es möglich, die absorbierte Energie mit einem zweiten Lichtstrahl wieder gezielt frei zu setzen. Dies geschieht, indem der Strahl den Quantenzustand des Moleküls verändert, Dadurch wird der Lichtstrahl dann verstärkt. Diese so genannte stimulierte Emission, die Albert Einstein vor mehr als 90 Jahren beschrieb, liegt auch dem Prinzip des Lasers zu Grunde.

Fokussieren im Nanobereich

«In einem gewöhnlichen Laser wird die Verstärkung durch eine Unmenge von Molekülen erreicht», erklärt Jaesuk Hwang, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Nano-Optik Gruppe von Sandoghdar. Indem die ETH-Wissenschaftler nun einen Laserstrahl auf nur ein einziges winziges Molekül fokussierten, haben sie es geschafft, mit genau einem Molekül stimulierte Emission zu erzeugen. Hierbei kam ihnen die Tatsache zur Hilfe, dass Moleküle bei tiefen Temperaturen in einer bestimmten Resonanzschwingung ihre Oberfläche scheinbar vergrössern. Die Forscher mussten das Molekül deshalb auf minus 272 Grad Celsius, also ein Grad über den absoluten Nullpunkt, herunter kühlen. In diesem Fall entsprach die so vergrösserte Oberfläche annähernd dem Durchmesser des fokussierten Laserstrahls.

Licht mit Licht schalten

Durch die von den Wissenschaftlern hervorgerufene kontrollierte Präparation des Quantenzustands des Moleküls mit einem Laserstrahl, konnte also ein einzelnes Molekül eine signifikante Abschwächung oder Verstärkung eines zweiten Laserstrahls hervorrufen. Diese Funktionsweise ist analog zu einem herkömmlichen Transistor, bei dem an Hand einer elektrischen Spannung ein zweites Signal moduliert werden kann.

Noch ein langer Weg zum neuartigen Computer

Bauelemente wie der neue Einzelmolekül-Transistor können so auch den Weg für einen Quantencomputer ebnen. «Bis Photonen Elektronen in Transistoren ablösen sind noch viele Jahre zu forschen. In der Zwischenzeit werden Wissenschaftler lernen, Quantensysteme gezielt zu manipulieren und zu beherrschen und damit auch dem Traum eines Quantencomputers näher kommen.» sagt Sandoghdar.

Lietraturhinweis:

J. Hwang, M. Pototschnig, R. Lettow, G. Zumofen, A. Renn, S. Götzinger, V. Sandoghda: A single-molecule opzical transistor, Nature (2009) 460, 76-80, doi:10.1038/nature08134