Physik-Durchbruch des Jahres kommt aus Jena

Schnelle, stromsparende Mikrochips: Ein internationales Forscherteam um Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist mit der Auszeichnung für den wichtigsten Physik-Durchbruch des Jahres geehrt worden.

Jena. Für die Entwicklung einer licht-emittierenden Siliziumlegierung wurden Forschende der TU Eindhoven und der Universität Jena zusammen mit Partnern der Universität Linz und der TU München am gestrigen Donnerstag vom Fachmagazin Physics World für den „Breakthrough of the Year“ (Durchbruch des Jahres) ausgezeichnet.

Das Team, dem Jens Renè Suckert und Prof. Dr. Silvana Botti von der Universität Jena angehören, hat in seiner im April 2020 vorgelegten Arbeit erstmals gezeigt, dass sich Siliziumlegierungen eignen, um Photonen, sprich Lichtteilchen, in nennenswerter Größenordnung auszusenden.

Damit ebneten sie den Weg zu Siliziumlasern, die die optische Datenverarbeitung revolutionieren könnten. Das Magazin Physics World ehrt seit 2009 jährlich mit dem Breakthrough of the Year internationale Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

„Unsere Arbeit macht erstmals siliziumbasierte photonische Computerchips möglich, die wesentlich schneller und energiesparender arbeiten können als die bisherigen elektronischen Chips“, ordnet Prof. Silvana Botti die Bedeutung der Entwicklung ein.

Solche Mikrochips, die mit Lichtteilchen (Photonen) anstatt Elektronen kommunizieren, brauchen einen integrierten Laser, der die Datensignale direkt auf dem Chip produziert. Das Halbleitermaterial Silizium galt bislang jedoch als äußert schwacher Lichtemitter.

Veränderte Kristallstruktur der Schlüssel zum Erfolg

Um dieses Problem zu umgehen, hat das Team eine 50 Jahre alte Theorie aufgegriffen und die Kristallstruktur des Siliziums so modifiziert, dass das Silizium effektiv Licht emittiert.

Dazu ist es den Forschenden erstmals gelungen, Silizium in einer Legierung mit dem Metall Germanium in eine hexagonale bzw. sechseckige anstatt würfelförmige Kristallstruktur wachsen zu lassen.

In dieser Kristallstruktur, so konnten die Forschenden in ihrer im Fachmagazin Nature publizierten Arbeit nachweisen, emittiert Silizium effektiv Licht.

Für die Arbeit, die im Rahmen des EU-Projekts SiLAS durchgeführt wurde, haben die Jenaer Physiker die Berechnungen der elektronischen Eigenschaften der untersuchten Silizium-Germanium-Nanodrähte geliefert.

Kombination von theoretischer und experimenteller Forschung

„Die Auszeichnung als wichtigster Durchbruch in der Physik-Forschung des Jahres ist eine tolle Bestätigung dafür, wie aus der Kombination von theoretischer und experimenteller Forschung wichtige Innovationen entstehen können“, freut sich Silvana Botti.

Wie die vorliegende Arbeit zeige, profitiere die Experimentalphysik von den Berechnungen, die die theoretische Physik liefert. „Zusammen können Theorie und Experiment zu echten Durchbrüchen führen“, so Botti weiter.

Die Professorin für Theoretische Festkörperphysik hofft zudem, dass die Auszeichnung auch Studierende überzeugt und vielleicht den einen oder die andere motiviert, sich für eine Master- oder Doktorarbeit in der Physik-Forschung der Universität Jena zu bewerben. Die sei, wie die aktuelle Auszeichnung deutlich macht, international sehr gut aufgestellt.

Quelle: FSU Jena