Quantenmechanik

Leucht- und Laserdioden

Leucht- und Laserdioden sind die Bauelemente, die für Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in Handys oder Fernsteuerungsgeräten, aber auch bei Konversion des elektrischen Stromes für optische Datenübertragung angewandt werden. Leuchtdioden (LED) konnten für eine lange Zeit nur eine Farbe im Sichtbaren ausstrahlen, allerdings mit einer Lichtleistung (30–50 lm/W) und einer Lebensdauer vergleichbar mit Entladungslampen. Die Entwicklung von blauen und UV-LEDs (am Ende des 20. Jahrhunderts), deren Strahlung in weißes Licht konvertiert werden kann, und die billige Massenproduktion werden dazu führen, dass die LEDs auch die Entladungslampen für Beleuchtung aus dem Markt verdrängen.

Während die Glühlampen vor und die Entladungslampen parallel mit der Erarbeitung der modernen Physik erfunden wurden, und ihre Entwicklung zur letzteren beigetragen hat, sind die LEDs aus der Anwendung der modernen Physik geboren. Obwohl in der heutigen Elektrotechnik semiklassische Modelle für die Beschreibung der in der Elektronik verwendeten Halbleiterdioden und Transistoren benutzt werden (z. B. mit der Annahme von Material zu Material oder manchmal sogar durch die durch Spannung änderbare Elektronenmasse), die Optimierung dieser Bauelemente und die Entwicklung von funktionierenden Leucht- und Laserdioden (aber auch von den, für die Solarzellen unbedingt nötigen, durchsichtigen Elektroden) sind ohne das Verständnis der modernen Physik nicht möglich.

 

Physikbedarf der Elektrotechnik heute und morgen

Die ersten Computer der Welt (wie die legendäre ENIAC) wurden aus auf Entladungsröhren basierten Schaltkreisen gebaut, aber das ist heute nur noch Geschichte. Die Grundlage der elektronischen Datenverarbeitung ist die Festkörper- (oder Halbleiter-) Elektronik. Der Wettbewerb zwischen Entladungsröhren und LEDs für Bildpunktbeleuchtung in Fernseher und Displays sowie bei Raumbeleuchtung ist zwar noch nicht abgeschlossen, aber der Sieg der Festkörperelektronik scheint auch in diesen Gebieten allein aus ökonomischen Gründen sehr wahrscheinlich. Wenn man noch die Entwicklung der Lithiumbatterien (mit Festkörperelektrolyt) betrachtet, wird klar, dass für einen wesentlichen Teil der heutigen Elektrotechnik die auf der Quantenmechanik basierte Festkörper- (oder Halbleiter-) Physik relevant ist.

Der Grund, warum die Quantenmechanik für Elektrotechniker wichtig ist, geht aber über die Notwendigkeit in der Halbleiterelektronik hinaus. Die Quantenmechanik hat unsere Auffassung über den Zustand der Teilchen grundsätzlich verändert. Wie wir sehen werden, ist weder das Konzept der bis zur Absurdität lokalisierten Punktmasse noch jenes der (unendlichen) harmonischen Welle für Mikroteilchen haltbar. Unsere Grundkonzepte über die Wirklichkeit müssten deutlich erweitert werden. Die Quantenmechanik bedeutet ein höheres Niveau im Verständnis der Welt und gehört zum Weltbild derjenigen, die ein B. Sc. Diplom im wissenschaftlich-technischen Bereich besitzen wollen.

Allerdings führen neue Konzepte zu neuen Anwendungen (wie das Paradox von Schrödingers Katze zum Quantum Computing oder die massenlosen relativistischen Elektronen von Dirac zur ultraschnellen Graphen-Elektronik), die ohne Quantenmechanik nicht einmal näherungsweise betrachtet werden können, von sinnvoller Systemintegration solcher Bauelemente ganz zu schweigen. Die Milliarden, die für Erforschung und Entwicklung der Nanotechnologie seit Anfang des 21. Jahrhunderts ausgegeben wurden, werden bald Früchte bringen und auch das Berufsleben der Elektrotechniker in der nahen Zukunft wesentlich verändern. Elektrotechniker sind hauptsächlich daran interessiert, Bauelemente in effektive und automatisierte Systeme zu integrieren. Es scheint offensichtlich zu sein, dass eine grundlegende Kenntnis und ein Verständnis der Bauelemente für den erfolgreichen Systementwurf unentbehrlich ist. Bisher konnten jedoch die Elektrotechniker dabei auch ohne das Verständnis der Quantenmechanik mehr oder weniger auskommen. Bei zukünftigen Bauelementen, in denen die Schaltung durch einzelne Elektronen (mit Ausnutzung der Welleneigenschaften) passiert, dürfte das nicht mehr der Fall sein, ebenso wenig wie die Handhabung von Quanteninformationstechnik und Quantenverschlüsselung, wo Information z. B. in den magnetischen Eigenschaften einzelner Elektronen durch Licht eingeschrieben wird.

 

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