Extremt kort, konfigurerbara "femtosekunds" ljuspulser demonstrerade av ett internationellt team kan leda till framtida datorer som kör upp till 100, 000 gånger snabbare än dagens elektronik.

Forskarna, inklusive ingenjörer vid University of Michigan, visade att de kunde kontrollera topparna inom laserpulserna och även vrida ljuset.

Metoden förflyttar elektroner snabbare och mer effektivt än elektriska strömmar - och med tillförlitliga effekter på deras kvanttillstånd. Det är ett steg mot så kallad "ljusvågselektronik" och, i en längre framtid, kvantberäkning, sa Mackillo Kira, U-M professor i elektroteknik och datavetenskap som var involverad i forskningen.

Elektroner som rör sig genom en halvledare i en dator, till exempel, ibland stöter på andra elektroner, frigör energi i form av värme. Men ett koncept som kallas ljusvågselektronik föreslår att elektroner kan styras av ultrasnabba laserpulser. Medan hög hastighet i en bil gör det mer sannolikt att en förare kommer att krascha in i något, hög hastighet för en elektron kan göra restiden så kort att det är statistiskt osannolikt att det träffar någonting.

"Under de senaste åren, vi och andra grupper har funnit att det oscillerande elektriska fältet av ultrakorta laserpulser faktiskt kan flytta elektroner fram och tillbaka i fasta ämnen, sa Rupert Huber, professor i fysik vid universitetet i Regensburg som ledde experimentet. "Alla blev omedelbart glada eftersom man kanske kan utnyttja den här principen för att bygga framtida datorer som fungerar med oöverträffade klockfrekvenser - 10 till hundra tusen gånger snabbare än den senaste elektroniken."

Men först, forskare måste kunna styra elektroner i en halvledare. Detta arbete tar ett steg mot denna förmåga genom att mobilisera grupper av elektroner inuti en halvledarkristall med hjälp av terahertzstrålning - den del av det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och infrarött ljus.

Forskarna lyste laserpulser in i en kristall av halvledaren galliumselenid. Dessa pulser var mycket korta på mindre än 100 femtosekunder, eller 100 kvadrilliondelar av en sekund. Varje puls dök upp elektroner i halvledaren till en högre energinivå – vilket innebar att de var fria att röra sig runt – och förde dem vidare. De olika orienteringarna av halvledarkristallen med avseende på pulserna innebar att elektroner rörde sig i olika riktningar genom kristallen - till exempel, de kunde löpa längs atombindningar eller mellan dem.

"De olika energilandskapen kan ses som en platt och rak gata för elektroner i en kristallriktning, men för andra, det kan se ut mer som ett lutande plan åt sidan, sa Fabian Langer, doktorand i fysik vid Regensburg. "Detta betyder att elektronerna kanske inte längre rör sig i laserfältets riktning utan utför sina egna rörelser dikterade av den mikroskopiska miljön."

När elektronerna avgav ljus när de kom ner från den högre energinivån, deras olika resor återspeglades i pulserna. De avgav mycket kortare pulser än den elektromagnetiska strålningen som kom in. Dessa ljusskurar var bara några femtosekunder långa.

Inuti en kristall, de är snabba nog att ta ögonblicksbilder av andra elektroner när de rör sig bland atomerna, och de kan också användas för att läsa och skriva information till elektroner. För det, forskare skulle behöva kunna kontrollera dessa pulser – och kristallen ger en rad verktyg.

"Det finns snabba svängningar som fingrar i en puls. Vi kan flytta fingrarnas position väldigt lätt genom att vrida på kristallen, sa Kira, vars grupp arbetade med forskare vid universitetet i Marburg, Tyskland, att tolka Hubers experiment.

Kristallen kan också vrida de utgående ljusvågorna eller inte, beroende på dess orientering mot de inkommande laserpulserna.

Eftersom femtosekundpulser är tillräckligt snabba för att fånga upp en elektron mellan att hamna i ett exciterat tillstånd och att komma ner från det tillståndet, de kan potentiellt användas för kvantberäkningar med elektroner i exciterade tillstånd som kvantbitar.

"Till exempel, här lyckades vi lansera en elektron samtidigt via två excitationsvägar, vilket inte är klassiskt möjligt. Det är kvantvärlden. I kvantvärlden, konstiga saker händer, sa Kira.

En elektron är tillräckligt liten för att den beter sig som en våg såväl som en partikel - och när den är i ett exciterat tillstånd, dess våglängd ändras. Eftersom elektronen var i två exciterade tillstånd samtidigt, dessa två vågor interfererade med varandra och lämnade ett fingeravtryck i femtosekundpulsen som elektronen emitterade.

"Denna äkta kvanteffekt kunde ses i femtosekundspulserna som ny, kontrollerbar, oscillationsfrekvenser och riktningar, " sa Kira. "Detta är naturligtvis grundläggande fysik. Med samma idéer kan du optimera kemiska reaktioner. Du kanske får nya sätt att lagra information eller överföra information säkert genom kvantkryptografi."

Huber är särskilt intresserad av stroboskopiska slow motion-kameror för att avslöja några av de snabbaste processerna i naturen, såsom elektroner som rör sig inom atomer.

"Våra kristallina fasta ämnen skapar fantastiska ljuskällor inom detta område - med oöverträffade möjligheter för pulsformning, " han sa.

Ett papper om arbetet, med titeln "Symmetristyrd tidsstruktur av högharmoniska bärarfält från en bulkkristall, " kommer att publiceras i Nature Photonics . Forskningen finansieras av European Research Council och German Research Foundation.