En ultrakort laserpuls (blå) skapar gratis laddningsbärare, en annan puls (röd) accelererar dem i motsatta riktningar. Kredit:TU Wien
Hur snabb kan elektronik vara? När datorchips arbetar med allt kortare signaler och tidsintervall, stöter de någon gång på fysiska gränser. De kvantmekaniska processer som möjliggör generering av elektrisk ström i ett halvledarmaterial tar en viss tid. Detta sätter en gräns för hastigheten för signalgenerering och signalöverföring.
TU Wien (Wien), TU Graz och Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har nu kunnat utforska dessa gränser:Hastigheten kan definitivt inte ökas över en petahertz (en miljon gigahertz), även om materialet är exciterat i ett optimalt sätt med laserpulser. Detta resultat har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications .
Fält och strömmar
Elektrisk ström och ljus (dvs elektromagnetiska fält) är alltid sammanlänkade. Så är det även inom mikroelektronik:I mikrochips styrs elektriciteten med hjälp av elektromagnetiska fält. Till exempel kan ett elektriskt fält appliceras på en transistor, och beroende på om fältet är på eller av låter transistorn antingen elektrisk ström flyta eller blockerar den. På så sätt omvandlas ett elektromagnetiskt fält till en elektrisk signal.
För att testa gränserna för denna omvandling av elektromagnetiska fält till ström, används laserpulser – de snabbaste, mest exakta elektromagnetiska fälten som finns tillgängliga – snarare än transistorer.
"Det studeras material som till en början inte leder elektricitet alls", förklarar prof. Joachim Burgdörfer från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "Dessa träffas av en ultrakort laserpuls med en våglängd i det extrema UV-området. Denna laserpuls förskjuter elektronerna till en högre energinivå, så att de plötsligt kan röra sig fritt. På så sätt förvandlar laserpulsen materialet till en elektrisk ledare under en kort tidsperiod." Så fort det finns fritt rörliga laddningsbärare i materialet kan de förflyttas i en viss riktning med en andra, lite längre laserpuls. Detta skapar en elektrisk ström som sedan kan detekteras med elektroder på båda sidor av materialet.
Dessa processer sker extremt snabbt, på en tidsskala av atto- eller femtosekunder. "Länge ansågs sådana processer vara momentana", säger professor Christoph Lemell (TU Wien). "Idag har vi dock den nödvändiga tekniken för att studera tidsutvecklingen av dessa ultrasnabba processer i detalj." Den avgörande frågan är:Hur snabbt reagerar materialet på lasern? Hur lång tid tar signalgenereringen och hur lång tid måste man vänta tills materialet kan exponeras för nästa signal? Experimenten utfördes i Garching och Graz, det teoretiska arbetet och komplexa datorsimuleringar gjordes vid TU Wien.
Tid eller energi – men inte båda
Experimentet leder till ett klassiskt osäkerhetsdilemma, som det ofta förekommer inom kvantfysiken:för att öka hastigheten behövs extremt korta UV-laserpulser, så att gratis laddningsbärare skapas mycket snabbt. Att använda extremt korta pulser innebär dock att mängden energi som överförs till elektronerna inte är exakt definierad. Elektronerna kan absorbera väldigt olika energier. "Vi kan säga exakt vid vilken tidpunkt de fria laddningsbärarna skapas, men inte i vilket energitillstånd de är", säger Christoph Lemell. "Fastämnen har olika energiband, och med korta laserpulser är många av dem oundvikligen befolkade av gratis laddningsbärare samtidigt."
Beroende på hur mycket energi de bär på, reagerar elektronerna ganska olika på det elektriska fältet. Om deras exakta energi är okänd är det inte längre möjligt att kontrollera dem exakt, och den aktuella signalen som produceras förvrängs – särskilt vid höga laserintensiteter.
"Det visar sig att ungefär en petahertz är en övre gräns för kontrollerade optoelektroniska processer", säger Joachim Burgdörfer. Det betyder naturligtvis inte att det går att producera datorchips med en klockfrekvens på strax under en petahertz. Realistiska tekniska övre gränser är sannolikt betydligt lägre. Även om naturlagarna som bestämmer de ultimata hastighetsgränserna för optoelektronik inte kan överlistas, kan de nu analyseras och förstås med sofistikerade nya metoder. + Utforska vidare
