Die Strukturen auf Mikrochips werden kleiner, die Rechenkraft größer. Der Datentransport zwischen Transistoren erfolgt dabei nach einem alten Prinzip: Man schickt elektrischen Strom durch Kupferleitungen. Die feinen Bahnen eines Chips können eine Länge von zehn Kilometern erreichen. Diese Art der Datenübertragung erzeugt Wärme. Handys werden heiß, Datencenter müssen gekühlt werden. Bei schnellen Überlandleitungen bedient man sich eines effizienteren Prinzips. Man kodiert die Daten in Lichtimpulse und schickt sie durch Glasfaserleitungen. Nun versucht man dieses Prinzip auch auf den Chips zu etablieren. Die Herausforderung dabei ist, die Schnittstellen, die hier Daten in Lasersignale übersetzen, möglichst klein, präzis und kostengünstig zu gestalten.

Am besten wäre es, das Silizium der Chips selbst zu Laserdioden zu formen. Leider ist dieser Halbleiter aber ein miserabler Lichtemitter. Moritz Brehm vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Johannes-Kepler-Universität (JKU) Linz hat mit Kollegen einen vielversprechenden Weg gefunden, wie es dennoch klappen kann. Der Physiker hat dafür einen Start-Preis von Wissenschaftsministerium und Wissenschaftsfonds FWF erhalten.

Preiswürdige Idee

"Die Idee ist, spezielle Quanteneffekte zu nutzen, um die optischen Eigenschaften anzupassen und die Lichtausbeute zu erhöhen", sagt Brehm. Der Hintergrund: Halbleitern muss eine gewisse Menge an Energie zugeführt werden, um sie in einen angeregten Zustand – und damit über die sogenannte Bandlücke – zu heben und sie von Nichtleitern zu Leitern zu machen. "Einmal angeregt, hinterlassen die Elektronen ein Loch, einen nicht besetzten Zustand, zu dem sie zurückkommen können, während sie dabei die vorher aufgenommene Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung – also Licht – abgeben", erklärt der 1982 in Linz geborene Wissenschafter.

Damit dieser Vorgang funktioniert und Licht in der erforderlichen Wellenlänge abgegeben wird, braucht es spezielle Halbleiter, Silizium ist ein schlechter Kandidat. Brehms Lösung ist, einen Quantenpunkt – eine Art atomaren Käfig – zu schaffen, der dem Elektron, das zum "Loch" zurückkommen soll, den richtigen Impuls gibt. Erreicht wird das mit einer Schicht Germanium, ein dem Silizium ähnlicher Halbleiter, in den man durch Ionenbeschuss gezielt eine Fehlstelle einbringt, die den erforderlichen Effekt hervorbringt.

Physik und Privatleben

Das Thema Quantenpunkte begleitet den Physiker bereits seit der Diplomarbeit an der JKU und führte ihn etwa im Rahmen eines Schrödinger-Stipendiums des FWF für zwei Jahre ans Leibniz-Institut in Dresden. "Ich ziehe große Befriedigung daraus, Neues zu entdecken – auch wenn es nur kleiner Effekt ist – und zu wissen, dass in diesem Moment auf der ganzen Welt nur ich darüber Bescheid weiß", sagt Brehm. Gemeinsam mit seiner Frau, die ebenfalls Physikerin ist, hat er den Forschungsbereich aufgebaut und mit ihr sieben Jahre lang zusammengearbeitet. Durchdringt da die Arbeit nicht auch das Privatleben? Brehm: "Früher war das vielleicht der Fall. Spätestens seit wir unsere beiden Kinder haben, hat sich das aber geändert." (pum, 12.7.2019)