A13 Quantenelektronik, Photonik und MEMS

Thema

An der Schnittstelle zwischen konventioneller Elektronik und Quantenphysik entstehen Bauelemente, deren Funktionsweise direkt von Quantenphänomenen abhängt. Halbleiter-LEDs und -Laser emittieren Lichtteilchen, wenn ein Elektron und ein Loch im Material rekombinieren – dieselbe Rekombination, die auch im Halbleiterphysikmodell beschrieben wird. Die Energie und damit die Farbe des emittierten Lichts hängen direkt von der Bandlücke ab, die in diesem Modell definiert ist. Unterschiedliche Materialien ermöglichen es dieser Bauelementfamilie, das gesamte Spektrum von Ultraviolett bis Infrarot abzudecken. Die Quanteneffizienz misst, welcher Anteil der injizierten Elektronen tatsächlich in Photonen umgewandelt wird, die das Bauelement verlassen können. Sie ist einer der wichtigsten Parameter, der eine hochwertige LED von einer mittelmäßigen unterscheidet.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) integrieren mikroskopische mechanische Strukturen – Balken, Membranen, freischwebende Massen –, die vibrieren oder sich bewegen können, auf demselben Chip wie die Steuerelektronik. Der in jedem Smartphone integrierte Beschleunigungssensor ist beispielsweise im Wesentlichen eine mikroskopisch freischwebende Masse, deren Eigenfrequenz sich messbar ändert, wenn das Gerät beschleunigt.

Der Quantentunnel-Effekt, bei dem ein Teilchen mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich null eine Energiebarriere durchdringen kann, die nach den Prinzipien der klassischen Physik unüberwindbar sein sollte, bildet die Grundlage sowohl bestimmter hochauflösender Mikroskope als auch moderner Quantenprozessoren. Ihre Basiselemente – supraleitende Qubits – müssen bei Temperaturen extrem nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, damit das thermische Rauschen, das durch das elektronische Rauschmodell beschrieben wird, den empfindlichen Quantenzustand, den sie erhalten, nicht zerstört.

Dieses Modul, das an der Grenze zwischen konventioneller Elektronik und Quantenphysik beginnt, zeigt daher abschließend, dass diese Grenze keine abstrakte Dimension ist: Sie ist ganz konkret die Temperatur, bei der gewöhnliches thermisches Rauschen aufhört, eine handhabbare Störung darzustellen und beginnt, das Quantenphänomen, das ein Gerät zum Funktionieren benötigt, vollständig zu zerstören.

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