En långvarig strävan efter vetenskap och teknik har varit att utveckla elektronik och informationsbehandling som fungerar nära de snabbaste tidsskalorna som naturlagarna tillåter.

Ett lovande sätt att uppnå detta mål innebär att använda laserljus för att styra elektronernas rörelse i materia och sedan använda denna kontroll för att utveckla elektroniska kretselement – ​​ett koncept som kallas ljusvågselektronik.

Anmärkningsvärt nog tillåter lasrar oss för närvarande att generera strömskurar på femtosekunders tidsskalor - det vill säga på en miljondels miljarddels sekund. Ändå har vår förmåga att bearbeta information i dessa ultrasnabba tidsskalor förblivit svårfångad.

Nu har forskare vid University of Rochester och Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) tagit ett avgörande steg i denna riktning genom att demonstrera en logisk port – byggstenen för beräkning och informationsbehandling – som fungerar på femtosekunders tidsskalor. Bragden, rapporterad i tidskriften Nature , åstadkoms genom att utnyttja och oberoende kontrollera, för första gången, de verkliga och virtuella laddningsbärare som utgör dessa ultrasnabba strömskurar.

Forskarnas framsteg har öppnat dörren till informationsbehandling vid petahertzgränsen, där en kvadriljon beräkningsoperationer kan bearbetas per sekund. Det är nästan en miljon gånger snabbare än dagens datorer som arbetar med gigahertz klockfrekvenser, där 1 petahertz är 1 miljon gigahertz.

"Det här är ett bra exempel på hur grundläggande vetenskap kan leda till ny teknologi", säger Ignacio Franco, docent i kemi och fysik vid Rochester som i samarbete med doktoranden Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , utförde de teoretiska studierna som ledde till denna upptäckt.

Lasrar genererar ultrasnabba strömskurar

Under de senaste åren har forskare lärt sig hur man utnyttjar laserpulser som varar några femtosekunder för att generera ultrasnabba skurar av elektriska strömmar. Detta görs till exempel genom att belysa små grafenbaserade ledningar som förbinder två guldmetaller. Den ultrakorta laserpulsen sätter i rörelse, eller "exciterar", elektronerna i grafen och, viktigare, skickar dem i en viss riktning – vilket genererar en elektrisk nettoström.

Laserpulser kan producera elektricitet mycket snabbare än någon traditionell metod - och gör det i frånvaro av pålagd spänning. Vidare kan strömmens riktning och storlek kontrolleras helt enkelt genom att variera formen på laserpulsen (det vill säga genom att ändra dess fas).

Genombrottet:Utnyttja verkliga och virtuella laddningsbärare

Forskargrupperna av Franco och FAU:s Peter Hommelhoff har arbetat i flera år för att förvandla ljusvågor till ultrasnabba strömpulser.

I ett försök att förena de experimentella mätningarna vid Erlangen med beräkningssimuleringar vid Rochester, hade teamet en insikt:I guld-grafen-guld-korsningar är det möjligt att generera två smaker - "riktiga" och "virtuella" - av partiklarna som bär laddningar som utgör dessa strömskurar.

• "Verkliga" laddningsbärare är elektroner som exciteras av ljus som förblir i riktningsrörelse även efter att laserpulsen stängts av.
• "Virtuella" laddningsbärare är elektroner som bara sätts i nettoriktningsrörelse medan laserpulsen är på. Som sådana är de svårfångade arter som endast lever tillfälligt under belysning.

Eftersom grafenet är kopplat till guld, absorberas både verkliga och virtuella laddningsbärare av metallen för att producera en nettoström.

Påfallande nog upptäckte teamet att genom att ändra formen på laserpulsen kunde de generera strömmar där endast de verkliga eller virtuella laddningsbärarna spelar en roll. Med andra ord genererade de inte bara två smaker av strömmar, utan de lärde sig också hur man kontrollerar dem oberoende, ett fynd som drastiskt förstärker designelementen i ljusvågselektronik.

Logiska grindar genom lasrar

Med hjälp av detta utökade kontrolllandskap kunde teamet experimentellt demonstrera, för första gången, logiska grindar som fungerar på en femtosekunds tidsskala.

Logiska grindar är de grundläggande byggstenarna som behövs för beräkningar. De styr hur inkommande information, som har formen 0 eller 1 (känd som bitar), behandlas. Logiska grindar kräver två insignaler och ger en logisk utgång.

I forskarnas experiment är ingångssignalerna formen eller fasen av två synkroniserade laserpulser, var och en vald för att bara generera en skur av verkliga eller virtuella laddningsbärare. Beroende på vilka laserfaser som används kan dessa två bidrag till strömmarna antingen läggas ihop eller ta bort. Den elektriska nettosignalen kan tilldelas logisk information 0 eller 1, vilket ger en ultrasnabb logisk grind.

"Det kommer förmodligen att dröja väldigt lång tid innan den här tekniken kan användas i ett datorchip, men nu vet vi åtminstone att ljusvågselektronik är praktiskt möjligt", säger Tobias Boolakee, som ledde de experimentella insatserna som Ph.D. student vid FAU.

"Våra resultat banar väg mot ultrasnabb elektronik och informationsbehandling", säger Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), nu postdoktor vid McGill University.

"Det som är fantastiskt med den här logiska grinden," säger Franco, "är att operationerna inte utförs i gigahertz, som i vanliga datorer, utan i petahertz, som är en miljon gånger snabbare. Detta beror på de riktigt korta laserpulserna som används. som inträffar på en miljondels miljarddels sekund."

Från grunderna till applikationer

Denna nya, potentiellt transformerande teknologi uppstod från grundläggande studier av hur laddning kan drivas i nanoskalasystem med lasrar.

"Genom grundläggande teori och dess koppling till experimenten klargjorde vi rollen av virtuella och verkliga laddningsbärare i laserinducerade strömmar, och det öppnade vägen för skapandet av ultrasnabba logiska grindar", säger Franco.

Studien representerar mer än 15 års forskning av Franco. År 2007, som Ph.D. student vid University of Toronto, utarbetade han en metod för att generera ultrasnabba elektriska strömmar i molekylära ledningar utsatta för femtosekundlaserpulser. Detta första förslag implementerades senare experimentellt 2013 och den detaljerade mekanismen bakom experimenten förklarades av Franco-gruppen i en studie 2018. Sedan dess har det skett vad Franco kallar "explosiv" experimentell och teoretisk tillväxt inom detta område.

"Det här är ett område där teori och experiment utmanar varandra och därigenom avslöjar nya grundläggande upptäckter och lovande teknologier", säger han. + Utforska vidare

Kvantfysiken sätter en hastighetsgräns för elektronik