Keine Elektronen oder Licht:
GHz-Schall-Chip lässt Fachwelt aufhorchen

Forscher haben winzige Schaltkreise entwickelt, die nicht mit Elektronen oder Licht arbeiten, sondern mit Schallwellen im Gigahertz-Bereich. Damit öffnet sich eine neue Chip-Klasse - mit Potenzial für Kommunikation, Sensorik und Quantenchips.

GHz-Schallwellen: Die dritte Weg der Chipwelt

Chips sind längst nicht mehr nur ein Spielfeld für Elektronen. Auch Licht wird in sogenannten integrierten Photonikschaltkreisen durch winzige Kanäle geführt, um Daten in rasantem Tempo zu verarbeiten. Jetzt tritt eine dritte Klasse immer mehr aufs Spielfeld: Schaltkreise, die nicht mit Strömen oder Photonen arbeiten, sondern mit Schallwellen.

Diese akustischen Wellen schwingen im Gigahertz-Bereich, also Milliarden Mal pro Sekunde. In der Quantenbeschreibung werden ihre Energieeinheiten als Phononen bezeichnet. Sie sind damit weit entfernt von hörbaren Tönen, lassen sich aber ähnlich wie Licht in präzise Bahnen zwingen. Der Vorteil: Schall reagiert anders auf Materialien, Defekte und Schnittstellen als Licht oder Elektronen. Richtig eingesetzt erweitert diese Technik das Spektrum der Informationsverarbeitung weit über klassische Elektronik hinaus.


Ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China und der Penn State University hat nun phononische Schaltkreise entwickelt, die Schall bei 1,5 Gigahertz über winzige Wellenleiter führen. Das Prinzip beruht auf sogenannten topologischen Strukturen: spezielle Anordnungen, die den Schall selbst dann sicher leiten, wenn der Kanal Ecken oder Unregelmäßigkeiten enthält. Illustration der topologischen phononischen Wellenleiter. Quelle: Prof. Changling Zou. Um die Funktionsweise sichtbar zu machen, setzten die Forscher ein optisches Vibrometer ein. Mit Laserabtastungen zeichneten sie nach, wie die Phononen durch die "akustischen Autobahnen" liefen. In einem weiteren Schritt integrierten sie ein Mach-Zehnder-Interferometer. Dieses Konzept aus der Optik teilt eine Welle in zwei Pfade, die am Ende wieder zusammengeführt werden. An der Art, wie sich die Wellen überlagern, lässt sich ablesen, ob die Wege stabil sind und wie gut sie sich steuern lassen. Genau das gelang hier erstmals direkt mit Schallwellen im Gigahertz-Bereich - ein Beweis, dass sich phononische Schaltkreise nicht nur zum Transport, sondern auch zur gezielten Informationsverarbeitung einsetzen lassen.

Hybridchips in Sicht

Damit schaffen die Wissenschaftler Bausteine, die kompakter und zuverlässiger sind als herkömmliche akustische Geräte. Co-Autor Mourad Oudich beschreibt die Motivation so: "Wir waren inspiriert vom Erfolg der integrierten Photonik und wollten zeigen, dass sich ähnliche Konzepte auch auf Schallwellen anwenden lassen."

Langfristig könnte daraus eine ganze Werkzeugkiste entstehen: phononische Filter für drahtlose Kommunikation, präzise Sensoren oder Bauteile für Quantencomputer. Die nächste Etappe ist die Integration mit elektronischen und photonischen Systemen - ein Schritt hin zu echten Hybridtechnologien, die mehrere Welten auf einem Chip vereinen.


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