Illustration av hur elektroner kan tänkas röra sig mellan två armar på en metallisk nanoantenna, drivs av en enkelcykel ljusvåg. Kredit:University of Konstanz
Ett europeiskt team av forskare inklusive fysiker från universitetet i Konstanz har hittat ett sätt att transportera elektroner ibland under femtosekundområdet genom att manipulera dem med ljus. Detta kan ha stora konsekvenser för framtiden för databehandling och databehandling.
Samtida elektroniska komponenter, som traditionellt är baserade på kiselhalvledarteknik, kan slås på eller av inom picosekunder (dvs. 10 -12 sekunder). Standardmobiltelefoner och datorer fungerar vid maximala frekvenser på flera gigahertz (1 GHz =10 9 Hz) medan enskilda transistorer kan närma sig en terahertz (1 THz =10 12 Hz). Att ytterligare öka hastigheten med vilken elektroniska kopplingsanordningar kan öppnas eller stängas med standardtekniken har sedan visat sig vara en utmaning. En ny serie experiment - genomförd vid universitetet i Konstanz och rapporterades i en ny publikation i Naturfysik —Demonstrerar att elektroner kan induceras att röra sig med hastigheter under femtosekunder, dvs snabbare än 10 -15 sekunder, genom att manipulera dem med skräddarsydda ljusvågor.
"Detta kan mycket väl vara den avlägsna framtiden för elektronik, "säger Alfred Leitenstorfer, Professor i ultrasnabba fenomen och fotonik vid universitetet i Konstanz (Tyskland) och medförfattare till studien. "Våra experiment med encykliska ljuspulser har tagit oss väl in i elektrontransportens attosekundintervall." Ljus oscillerar vid frekvenser som är minst tusen gånger högre än de som uppnås med rent elektroniska kretsar:En femtosekund motsvarar 10 -15 sekunder, vilket är den miljonte delen av en miljarddel av en sekund. Leitenstorfer och hans team från Institutionen för fysik och Center for Applied Photonics (CAP) vid universitetet i Konstanz tror att framtidens elektronik ligger i integrerade plasmoniska och optoelektroniska enheter som fungerar i en-elektronregimen vid optisk-snarare än mikrovågsugn - frekvenser. "Dock, detta är mycket grundläggande forskning vi talar om här och kan ta decennier att genomföra, "varnar han.
En fråga om att kontrollera ljus och materia
Utmaningen för det internationella teamet av teoretiska och experimentella fysiker från universitetet i Konstanz, universitetet i Luxemburg, CNRS-Université Paris Sud (Frankrike) och Center for Materials Physics (CFM-CSIC) och Donostia International Physics Center (DIPC) i San Sebastián (Spanien) som samarbetade på detta projekt var att utveckla en experimentell uppsättning för att manipulera ultrakort ljus pulser på femtosekundskalor under en enda oscillationscykel å ena sidan, och att skapa nanostrukturer som är lämpliga för högprecisionsmätningar och manipulering av elektroniska laddningar å andra sidan. "Lyckligtvis för oss, vi har förstklassiga faciliteter till vårt förfogande just här i Konstanz, "säger Leitenstorfer, vars team genomförde experimenten. "Center for Applied Photonics är en världsledande anläggning för utveckling av ultrasnabb laserteknik. Och tack vare vårt Collaborative Research Center 767 Controlled Nanosystems:Interaction and Interfacing to the Macroscale, vi har tillgång till extremt väldefinierade nanostrukturer som kan skapas och kontrolleras i nanometerskala. "
Supersnabb elektronbrytare
Den experimentella uppsättningen som utvecklats av Leitenstorfers team och samordnande författare Daniele Brida (tidigare ledare för en Emmy Noether-forskargrupp vid University of Konstanz, nu professor vid universitetet i Luxemburg) involverade nanoskala guldantenner samt en ultrasnabb laser som kan avge hundra miljoner encykel ljuspulser per sekund för att generera en mätbar ström. Bowtie-designen för den optiska antennen möjliggjorde en sub-våglängd och sub-cykel spatio-temporal koncentration av det elektriska fältet för laserpulsen i gapet på en bredd på sex nm (1 nm =10 -9 meter).
Som ett resultat av den mycket olinjära karaktären av elektrontunnelering ur metallen och acceleration över gapet i det optiska fältet, forskarna kunde växla elektroniska strömmar med hastigheter på cirka 600 attosekunder (dvs. mindre än en femtosekund, 1 som =10 -18 sekunder). "Denna process sker endast vid tidsskalor på mindre än en halv oscillationsperiod för ljuspulsens elektriska fält, "förklarar Leitenstorfer-en observation som projektpartnerna i Paris och San Sebastián kunde bekräfta och kartlägga i detalj med hjälp av en tidsberoende behandling av den elektroniska kvantstrukturen kopplad till ljusfältet.
Studien öppnar helt nya möjligheter att förstå hur ljus interagerar med kondenserad materia, möjliggör observation av kvantfenomen vid tidlösa och rumsliga skalor utan motstycke. Att bygga vidare på det nya tillvägagångssättet för elektrondynamik som drivs i nanoskala av optiska fält som denna studie ger, forskarna kommer att gå vidare för att undersöka elektrontransport vid atomtid och längdskalor i ännu mer sofistikerade solid-state-enheter med picometermått.
