Neben der Elektronik und der Photonik, den Grundelementen der modernen Informations- und Telekommunikationstechnologie, könnte schon bald ein neues Forschungsgebiet, die Phononik, für die Ausführung von Logikoperationen angewendet werden. Während Elektronik und Photonik mit Elektronen in Transistoren oder Photonen in optischen Schaltkreisen arbeiten, basiert die Phononik auf winzig kleinen Wärmepulsen, so genannten Phononen. Eine Forschergruppe der Nationaluniversität von Singapur hat nun in einer Studie gezeigt, wie mit Phononen arbeitende logische Schaltelemente aufgebaut werden könnten.
Die von Baowen Li und seinem Kollegen Lei Wang durchgeführten Computersimulationen befassen sich mit dem Analogon eines elektronischen Transistors, der an Stelle von Elektronen allerdings mit Phononen arbeitet. Genauso wie in Transistoren kann dabei ein Strom zwischen zwei Kontakten mittels eines dritten Kontakts gesteuert werden. In dem Wärmetransistor werden nun allerdings keine elektrischen Spannungen an die Kontakte angelegt, sondern verschiedene Temperaturen.
Die Forscher zeigen, wie sich auf diese Weise mittels der Temperatur des Steuerungskontakts der Wärmestrom ? der Fluss der Phononen ? zwischen den beiden anderen Kontakten beeinflussen lässt. Wie in der Elektronik auch lassen sich dann aus diesen Grundbauteilen Logikelemente für Operationen wie UND, ODER, sowie NICHT herstellen.
Damit dies funktioniert, müssen die Kristallstrukturen der Kontakte allerdings ganz bestimmte Eigenschaften aufweisen, so die Forscher. Dies ist verständlich, da Phononen ? und Wärme in Materie insgesamt ? nichts Weiteres als Schwingungen des zu Grunde liegenden Kristallgitters darstellen. Für die Verwirklichung von Wärmetransistoren müssen die Gitterschwingungen nun relativ starke Nichtlinearitäten aufweisen – mit anderen Worten, die auf die Atome wirkende Rückstellkraft ist nicht wie bei einer leicht gestreckten Feder zu der Schwingungsamplitude proportional.
Die Forscher glauben, dass ihre derzeit nur auf dem Papier existierenden Wärmetransistoren durch clevere Kombinationen verschiedener Halbleiterkristalle in die Tat umgesetzt werden könnten.
Physical Review Letters (kommende Ausgabe)Vorabveröffentlichung der Studie Stefan Maier
