Auf Prozessoren etwa in Computern oder Handys befinden sich milliardenfach winzige Schalter: sogenannte Transistoren. Kleiner geht nicht? Geht doch, und dazu mehr als tausend Mal schneller, meint der Oldenburger Physiker Martin Silies. Er überzeugte mit seiner Idee eines optischen Transistors in einem Wettbewerb des Bundesforschungsministeriums und leitet nun seine eigene Nachwuchsforschergruppe.
Seine Experimente sind für das bloße Auge und sogar für manches herkömmliche Mikroskop unsichtbar: Dr. Martin Silies plant einen Transistor im kleinsten denkbaren Maßstab, bei dem quasi ein einzelnes Molekül bestimmt, ob ein einzelnes Lichtteilchen den Abstand zwischen zwei Mini-Goldantennen überwindet und so den Schalter schließt oder ob sich dieser wieder öffnet. Und all das unvorstellbar schnell, binnen Billionsteln von Sekunden – kleiner, feiner, schneller, heißt das Ziel.
Um seine Forschung voranzutreiben, erhält der Postdoktorand in der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ (UNO) von Prof. Dr. Christoph Lienau am Institut für Physik nun seine eigene Nachwuchsgruppe mit zwei Doktorandenstellen. Die Förderdauer im Programm „NanoMatFutur“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) beträgt vier und verlängert sich bei Bedarf auf sechs Jahre. Zunächst stehen Silies für die kommenden vier Jahre etwa 1,3 Millionen Euro zur Verfügung.
Transistoren begegnen uns im Alltag in jedem elektronischen Gerät. Zwar sind diese elektronischen Schalter mittlerweile so klein, dass sie sich auf einem einzigen Prozessor milliardenfach unterbringen lassen. Noch weiter verkleinern – und dank kleinerer Bauteile zugleich beschleunigen – lassen sie sich allerdings nicht. So ist die Geschwindigkeit dieser Transistoren bislang auf eine Taktfrequenz von einigen Gigahertz – also einigen Milliarden Schaltvorgängen pro Sekunde – begrenzt.
Silies‘ Forschung könnte die Taktfrequenzen auf mehr als das Tausendfache steigern und damit perspektivisch etwa die Arbeit von Großrechnern noch erheblich beschleunigen. Sein Vorhaben: einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, so gezielt steuern, dass sich mit ihnen ein optischer Transistor betreiben lässt. Dabei beträgt der Abstand zwischen den Spitzen zweier aufeinander zulaufender, hauchdünner Golddrähte lediglich wenige Millionstel Millimeter. Ob ein Photon diese wenigen Nanometer überwindet – und so den Schalter schließt – sollen Moleküle steuern, die das Photon nämlich je nach eigener Lichtsättigung passieren lassen oder es blockieren. Die Lichtsättigung der Moleküle kann dabei in einem unvorstellbaren Tempo ebenfalls mit Licht gesteuert werden.
In den kommenden vier Jahren will der 35-jährige Silies mit seinen Doktoranden zum einen die Wechselwirkung verschiedener Farbstoff- und anderer Moleküle auf dieser kleinstmöglichen räumlichen Skala erproben. Zuvor wird das Team an den denkbar filigransten Kontakten aus Gold arbeiten, bei deren Produktion eine neuartige Technik zum Einsatz kommt – die Helium-Ionen-Lithographie. Dabei schneidet ein Strahl aus Helium-Ionen zunächst die feinen Drähte aus einem hauchdünnen Gold-Film zu und ritzt anschließend feinste Linien hinein. Diese Linien dienen sozusagen als Wegweiser für die Photonen und lenken sie in die gewünschte Richtung.
Frühere Gold-Antennen für solche photonischen Schalter stellten Physiker mit Gallium-Ionen-Lithographie her. Da Helium-Ionen deutlich kleiner sind, lassen sich mit ihnen neuerdings deutlich filigranere Strukturen fertigen. Silies: „In Relation wirken die Gallium-Ionen wie eine Kanone – die Helium-Ionen schneiden langsamer, aber einem Skalpell vergleichbar.“ Er arbeitet für seine Forschung mit dem weltweit bislang einzigen Hersteller von Helium-Ionen-Mikroskopen zusammen, der Firma Carl Zeiss Microscopy GmbH.
Solche Kooperationen sind in dem BMBF-Programm gern gesehen: sind dessen Ziel doch neue interdisziplinäre Ansätze in den Nano- und Werkstofftechnologien, die zugleich Potenzial zur industriellen Umsetzung bergen. Der Wettbewerb „NanoMatFutur“ fördert jährlich bundesweit maximal sieben Nachwuchsforschergruppen insbesondere in den Forschungsfeldern Klima/Energie, Mobilität, Gesundheit oder Information und Kommunikation.
Der neue Oldenburger Nachwuchsgruppenleiter Silies studierte Physik an der Fachhochschule Steinfurt. An der Universität Münster promovierte er 2009 über sogenannte zeitaufgelöste Röntgenbeugung – dabei ging es ebenfalls um ultraschnelle Wechselwirkungsprozesse zwischen Licht und anderer Materie. Seit 2009 ist Silies Mitglied der Oldenburger Arbeitsgruppe UNO und dort einer von insgesamt fünf Postdoktoranden.
