Wissenschaftler der Universit?t Paderborn und der TU Dortmund ver?ffentlichen Ergebnisse in Nature Communications
Computer speichern Informationen in Form eines Bin?rcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe Schaltkreise auf dünne Halbleiterchips aufgebracht. Forschern der Universit?t Paderborn und der Technischen Universit?t Dortmund ist es jetzt gelungen, ein optisches Bit zu realisieren, das nur mithilfe von Licht auf einen Chip geschrieben und gezielt kontrolliert werden kann. Neben dem fundamentalen Interesse birgt das gro?es Potential für die optoelektronische Informationsverarbeitung. Die Ergebnisse wurden heute in dem renommierten Fachmagazin ?Nature Communications“ ver?ffentlicht.
Drehrichtung der Wirbel steht für ein Bit
In der aktuellen Arbeit untersucht das Projektteam um die Paderborner Physiker Prof. Dr. Stefan Schumacher und Dr. Xuekai Ma sowie Jun.-Prof. Marc A?mann und Bernd Berger von der TU Dortmund bestimmte Wirbelzust?nde, die sich in einer optisch angeregten Quantenflüssigkeit ausbilden. ?Diese Wirbel k?nnen in zwei verschiedene Richtungen rotieren. Die beiden Drehrichtungen entsprechen den Einstellungen eines Bits, also Eins oder Null“, erkl?rt Studienleiter Schumacher. Der Wissenschaftler erg?nzt: ?Die Anregung erfolgt mit einem ringf?rmigen Laserprofil, in dessen Mitte sich ein Wirbel in der vom Laser angeregten Quantenflüssigkeit ausbildet. Ein zus?tzlicher kurzer Laserpuls bewirkt dann das Umschalten der Drehrichtung, sodass das Bit gezielt entweder auf Null oder auf Eins eingestellt und auch nachtr?glich umgeschaltet werden kann.“ Mit dem gezielten Umschalten k?nnen dann auch gespeicherte Informationen besonders schnell ge?ndert werden, so der Physiker weiter.
Umschaltung dauert weniger als ein Milliardstel einer Sekunde
Laut Schumacher werden ?hnliche Wirbel derzeit in vielen physikalischen Systemen hinsichtlich m?glicher Anwendungen in der Informationsspeicherung und -verarbeitung untersucht. ?Oftmals wird dabei aber nur die Existenz oder Erzeugung der Wirbel studiert. Wir demonstrieren hier auch die effiziente Manipulation mithilfe ultrakurzer Laserpulse, sodass wir die Drehrichtung eines Wirbels, und damit die optisch gespeicherte Information, in weniger als einem Milliardstel einer Sekunde gezielt umschalten k?nnen,“ erkl?rt Ma, Erstautor der Arbeit.
?Ein besonderer Erfolg ist auch die praxisnahe experimentelle Umsetzung“, sagt Berger. ?Die Drehrichtung des Wirbelzustandes wird im Labor direkt über den r?umlichen Drehimpuls des emittierten Lichts gemessen“, so der Physiker weiter, der den dafür notwendigen Aufbau im Rahmen seiner Doktorarbeit konzipiert hat. Das Konzept sei au?erdem durch die ausschlie?lich nicht-resonante und damit inkoh?rente optische Anregung grunds?tzlich auch mit elektrischer statt mit optischer Herangehensweise kompatibel.
Die der Arbeit zugrunde liegende Idee wurde vom Erstautor Ma entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit den Dortmunder Kollegen um A?mann ist es dann gelungen, das theoretische Konzept auch experimentell umzusetzen. ?Ich freue mich besonders für Herrn Ma, dass er erneut eine seiner Ideen so erfolgreich hat umsetzen und in einem solch renommierten Fachjournal publizieren k?nnen,“ sagt Schumacher. Ma wurde bereits 2017 mit dem ?Chinese government award for outstanding PhD students“ für seine exzellente Forschungsleistung w?hrend der Promotion in Paderborn ausgezeichnet. Seine Arbeiten wurden zuvor mehrfach im renommierten Fachjournal ?Physical Review Letters“ ver?ffentlicht. Der Wissenschaftler führt seine aufwendigen Computersimulationen zum Projekt auf den H?chstleistungsrechnern des Paderborner Center for Parallel Computing, PC2, durch. Die im Experiment verwendete Halbleiternanostruktur wurde an der Universit?t Würzburg hergestellt.
Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines theoretisch-experimentellen Kollaborationsprojektes der Gruppen von Schumacher und A?mann im Rahmen des gemeinsamen Sonderforschungsbereiches/Transregios TRR142 ?Tailored Nonlinear Photonics” durchgeführt, der seit 2014 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef?rdert und von der Universit?t Paderborn geleitet wird.
Website: https://doi.org/10.1038/s41467-020-14702-5
Prof. Dr. Stefan Schumacher, Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse und Kommunikation
