12 Millionen für die Erforschung atomarer Bauteile

Die Menge an Daten, die weltweit über Kommunikationsnetzwerke ausgetauscht und verarbeitet werden, steigt immer weiter an. Damit der Platz- und Energieverbrauch nicht ebenso rasant ansteigt, müssen sämtliche Netzwerkkomponenten und Prozessoren effizienter und kleiner werden. Eine Gruppe von Forschenden der ETH Zürich und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wollen deshalb neuartige integrierte Schaltkreise entwickeln und erforschen, deren Bauteile auf dem Niveau von einzelnen Atomen arbeiten und somit winzig klein sind – sich aber zugleich in die bestehende industrielle CMOS-Technologie integrieren lassen. Dazu lancieren sie das Zentrum für Einzelatom-Elektronik und -Photonik, das von ETH-Professor Jürg Leuthold vom Institut für Elektromagnetische Felder koordiniert wird. Das neue Zentrum soll ab dem 1. Januar 2018 seinen Betrieb aufnehmen.

Zu den Netzwerkkomponenten, welche am neuen Zentrum erforscht werden, gehören sowohl Transistoren wie auch Modulatoren und Detektoren. Diese verarbeiten die Information, die zunächst elektronisch vorliegt, wandeln sie aber auch in optische Signale um und übertragen sie optisch. Sie können die optischen Signale aber auch wieder in elektrische Signale zurückverwandeln. Auf einem einzigen Chip werden gegenwärtig Millionen von Transitoren verbaut, und diese sind wiederum zu Tausenden über optische Glasfasern verbunden. Die gegenwärtige Technologie ist zwar schon sehr weit fortgeschritten, stösst aber sowohl bei den Dimensionen als auch dem Energieverbrauch zusehends an Grenzen.

Zuverlässig und energieeffizient

«Wir wollen am neuen Zentrum einen innovativen Forschungsansatz weiterfolgen, welcher auf unseren neusten Forschungsresultaten beruht. Die Resultate zeigen, dass Bauteile mit atomaren Dimensionen nicht nur zuverlässig funktionieren, sondern auch energieeffizienter sind», sagt Professor Jürg Leuthold. Das Zentrum greift unter anderem auf den Ein-Atom-Transistor zurück, der 2004 von Professor Thomas Schimmel am KIT entwickelt wurde.

Die Forschenden der ETH Zürich und des KIT werden in einem ersten Schritt die neuen Bausteine für Logik und Speicher basierend auf den ersten Prototypen weiterentwickeln. In einem zweiten Schritt werden erste einfache Chips einer neuen Generation von Bauteilen auf atomarer Skala entwickelt. Dabei rechnen die Forschenden mit einer Grössenreduktion um den Faktor 100 bis 1000 und einer Energieeinsparung im selben Bereich gegenüber heutigen Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS).

Schneller in die Praxis überführen

«Die grosszügige Schenkung der Werner Siemens-Stiftung bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Kompetenzen des KIT und der ETH im Bereich der Elektronik und der Photonik von einzelnen Elektronen zu bündeln. Damit wird die Grundlagenforschung gestärkt und die Translation in die Praxis beschleunigt», sagt ETH-Präsident Lino Guzzella.

«Ich danke der Werner Siemens-Stiftung dafür, dass sie es dem KIT und der ETH Zürich ermöglicht an dieser grenzüberschreitenden Schnittstelle ihre Kompetenzen zu ergänzen, und bin sicher auf beiden Seiten werden Forschung, Lehre und Innovation profitieren», sagt Professor Holger Hanselka, Präsident des KIT.

«Von unserer Schenkung erhoffen wir uns einen entscheidenden Durchbruch im Bereich der Kommunikationstechnologie», sagt Hubert Keiber von der Werner Siemens-Stiftung. Die Forschung, die am Zentrum für Einzelatom-Elektronik und -Photonik betrieben werde, sei revolutionär. Sie passe deshalb gut in das Portfolio der Stiftung. Dies ist bereits die dritte Schenkung der Werner Siemens-Stiftung an die ETH Zürich Foundation. Die Partnerschaft existiert seit 2004.