Ein Team von Physikern unter der Leitung von Professor Dmitry Turchinovich an der Universität Bielefeld hat in Zusammenarbeit mit Forschenden des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) einen bedeutenden Durchbruch in der Nanoelektronik erzielt, der die Umsetzung von KI-Hardware grundlegend verändern könnte.
Die am 5. Juni 2025 in Nature Communications veröffentlichte Studie stellt eine neuartige Methode vor, mit der sich atomar dünne Halbleiter mithilfe ultraschneller Lichtimpulse in bislang unerreichter Geschwindigkeit steuern lassen. Das Team entwickelte spezialisierte nanoskalige Antennen, die Terahertz-Licht in vertikale elektrische Felder innerhalb zweidimensionaler Materialien wie Molybdändisulfid (MoS₂) umwandeln.
"Traditionell werden solche vertikalen elektrischen Felder, die zum Schalten von Transistoren und anderen elektronischen Bauteilen genutzt werden, durch elektronische Gate-Spannungen erzeugt. Diese Methode ist jedoch grundsätzlich auf vergleichsweise langsame Reaktionszeiten beschränkt", erklärt Professor Turchinovich. "Unser Ansatz nutzt das Terahertz-Licht selbst, um das Steuersignal direkt im Halbleitermaterial zu erzeugen – und ermöglicht so eine industriekonforme, lichtgetriebene, ultraschnelle optoelektronische Technologie, die bisher nicht möglich war."
Die Technik erlaubt eine Echtzeit-Kontrolle elektronischer Strukturen auf Zeitskalen von weniger als einer Pikosekunde – also einer Billionstel Sekunde – und ist damit um Größenordnungen schneller als herkömmliche elektronische Schaltmethoden. Die Forschenden zeigten, dass sowohl die optischen als auch die elektronischen Eigenschaften des Materials gezielt durch diese Lichtimpulse verändert werden können.
Dr. Tomoki Hiraoka, Erstautor der Studie und Marie Skłodowska Curie Fellow in der Arbeitsgruppe von Professor Turchinovich, spielte eine entscheidende Rolle bei der experimentellen Umsetzung. Die komplexen 3D-2D-Nanoantennen, die für diesen Effekt erforderlich sind, wurden am IFW Dresden von einem Team unter der Leitung von Dr. Andy Thomas gefertigt.
Diese Innovation hat weitreichende Auswirkungen auf KI-Hardware und könnte deutlich schnellere sowie energieeffizientere Computersysteme ermöglichen. Die ultraschnellen Schaltfähigkeiten könnten zu neuen Generationen von Signalsteuergeräten, elektronischen Schaltern und Sensoren führen, die für fortschrittliche KI-Anwendungen mit extrem hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten unerlässlich sind.
Die Technologie verspricht zudem Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen, darunter Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, fortschrittliche Computerarchitekturen, Bildgebungssysteme und Quantentechnologien – alles entscheidende Komponenten für die nächste Generation von KI-Infrastrukturen, die immer schnellere Verarbeitungskapazitäten erfordern.