Fachbegriffe leicht gemacht:

Was sind `Graphen`?

Bei diesem Begriff denkt man zuerst an die Mathematik, wo es ja auch im Bereich der Geometrie den Begriff `Graphen` gibt. Mathematisch Graphen sind um es vereinfacht zu sagen - Bögen, Kurven und Linien, die man in einem Koordinatensystem zeichnet.

Hier und heute geht es aber um eine Variante des Kohlenstoffs, nämlich um `Graphen`. Dieses Wundermaterial kann Chips Hunderte Male schneller machen. Der Stoff `Graphen` könnte bald die Schaltzeiten von Transistoren deutlich verkürzen. Transistoren sind im Grunde genommen die einfachsten Bausteine, wie wir sie aus unserer Kindheit schon kennen. Ein Transistor hat drei Anschlüße, und je nachdem fließt vom Anschluß eins der Strom zum Anschluß zwei oder zum Anschluß drei. Wer jetzt an ein Schalt-Relais denkt, ist auf dem richtigen Weg und kennt das Prinzip eines Transistors.

Die heutigen Chips sind nichts anderes als die Miniaturisierung etlicher Zehntausender Transistoren. Bei so viel Schaltarbeit, wie sie in solch einem Chip paßiert, entsteht Wärme, die wiederum die Arbeitsgeschwindigkeit der Chips herabsetzt und den Stromverbrauch in die Höhe treibt. Wir können in diesem Zusammenhang auch statt des Begriffs `Chip` den Begriff `Prozeßor` nehmen, den Sie natürlich längst kennen.

Es ist also gut und folgerichtig, wenn die Industrie bzw. unsere Forscher Prozeßoren zu bauen versuchen, die sehr wenig Strom benötigen, die kalt bleiben und die schnell sind.

Amerikanische Wißenschaftler sind daher den Graphen auf der Spur. Die Taktrate von Computerchips wäre mit ihnen Hunderte Male höher als mit Silizium. Die Forschung in diesem Bereich läuft auf Hochtouren. Ein Handyhersteller träumt schon von faltbaren Touchscreens, die bequem in die Hosentasche paßen.

Die ära von Silizium geht zu Ende. Zwar sind Computerchips in den vergangenen Jahren immer schneller geworden, doch bei den Schaltzeiten der Silizium-Transistoren, die maßenhaft in jedem Chip vorkommen, gibt es eine physikalische Grenze. Taktfrequenzen oberhalb von vier oder fünf Gigahertz sind damit kaum möglich. Physiker und Informatiker setzen daher große Hoffnungen in ein neues Wundermaterial mit dem Namen `Graphen`, das deutlich schnellere Chips ermöglichen könnte.

`Graphen` besteht aus Kohlenstoffatomen, die ein zweidimensionales, äußerst robustes Netz bilden. 2004 wurde `Graphen` erstmals in stabiler Form im Labor nachgewiesen, und 2010 bekamen die beiden Forscher Andre Geim und Konstantin Novoselov dafür den Physik-Nobelpreis.

Das Potenzial ist gewaltig: der neue Stoff könnte die Taktrate von Computerchips auf 500 bis 1000 Gigahertz steigern, so glauben Wißenschaftler. Die University of Manchester berichtet nun über spannende Beobachtungen bei einer speziellen `Graphen`-Variante. Die Forscher konnten zwei Lagen des Materials so zusammenfügen, daß darin kaum noch Defekte auftraten, was den Stromfluß noch weiter verbeßert. Die Elektronen konnten sich in der `Graphen`-Doppelschicht ähnlich wie eine Flüßigkeit bewegen. Die Arbeit könnte auch die Chipentwicklung weiter nach vorn bringen, denn doppellagiges `Graphen` gilt als außichtsreicher Kandidat für den Bau superschneller elektronischer Schalter (Transistoren). Chips mit 1000-Gigahertz-Transistoren aus `Graphen` schalten deutlich schneller als solche aus Silizium, weil die Elektronen sich in dem Material schneller bewegen können.

Für den Einsatz als elektronischer Schalter muß `Graphen` freilich noch modifiziert werden. Einlagiges `Graphen` ist zwar wie Metall ein guter elektrischer Leiter, aber erst in zwei Lagen wird es zum Halbleiter und damit Transistor tauglich. Es gibt aber auch noch eine andere Möglichkeit, `Graphen` zum Halbleiter zu machen: Man muß es, wie 2010 von IBM-Forschern demonstriert, in schmale Streifen schneiden. Aus diesen Streifen konnten die Wißenschaftler dann einen `Graphen`-Chip mit einer Taktrate von 100 Gigahertz bauen. Diese Arbeiten laufen seit über fünf Jahren, und weltweit werden in kurzen Abständen neue Erkenntniße über `Graphen` gewonnen. Längst arbeiten nicht nur Grundlagenforscher, sondern auch Konzerne wie IBM oder Nokia mit dem vielseitigen Material.

Das könnte unter anderem in transparenten Touchscreens zum Einsatz kommen, denn reines `Graphen` ist praktisch durchsichtig und absorbiert nur 2 oder 3 Prozent des durchscheinenden Lichts. Bei Berührungen ändert sich jedoch sein Leitungsverhalten, weshalb es sich ideal für berührungsempfindliche Displays eignet, egal ob diese durchsichtig sind oder nicht.

Handyhersteller wie Nokia setzen besonders große Hoffnungen in das Material. Es könnte eines Tages nicht nur Fernseher möglich machen, die man wie eine Tapete aufrollen kann, sondern die Entwickler aus Finnland denken auch an ein Handy mit einem roll- oder faltbaren Display, das locker in die Hosentasche paßt, aber auseinander gefaltet die Größe eines iPads hat.

Sicherlich ist das aus heutiger Sicht Zukunftsmusik; dennoch zeigen uns die aktuellen Handys beeindruckende technische Entwicklungen, an die wir vor 10 Jahren noch nicht gedacht haben.


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