Elektroniska system som använder ljusvågor istället för spänningssignaler är fördelaktigt, som elektromagnetiska ljusvågor oscillerar vid petaherz-frekvens. Detta innebär att framtida datorer skulle kunna arbeta i hastigheter 1 miljon gånger snabbare än dagens. Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu lyckats använda ultrakorta laserimpulser för att exakt kontrollera elektroner i grafen.

Strömreglering inom elektronik som är 1 miljon gånger snabbare än i dagens system är en dröm för många. Strömstyrning ansvarar för data- och signalöverföring. Dock, tills nu, det har varit svårt att kontrollera flödet av elektroner i metaller, eftersom metaller reflekterar ljusvågor, som därför inte kan påverka elektronerna inuti metallledaren.

Fysiker vid FAU har därför vänt sig till grafen, en halvmetall som bara består av ett enda lager kol och är så tunn att ljus kan tränga in och sätta elektroner i rörelse. I en tidigare studie, fysiker vid lärostolen för laserfysik hade redan lyckats generera en elektrisk signal på en tidsskala av endast en femtosekund genom att använda en mycket kort laserpuls. Det motsvarar en miljondel av en miljarddels sekund. I dessa extrema tidsskalor, elektroner avslöjar sin kvantnatur när de beter sig som en våg. Vågen av elektroner glider genom materialet när det drivs av laserpulsen.

Forskarna gick ett steg längre i den aktuella studien. De riktade en andra laserpuls mot denna ljusdrivna våg. Denna andra puls gjorde det möjligt för elektronvågen att passera genom materialet i två dimensioner. Den andra laserpulsen kan användas för att avleda, accelerera eller till och med ändra riktningen på elektronvågen. Detta möjliggör överföring av information genom denna våg, beroende på exakt tid, styrka och riktning för den andra pulsen.

Enligt forskarna, det är möjligt att gå ett steg längre. "Föreställ dig att elektronvågen är en våg i vatten. Vågor i vatten kan splittras på grund av ett hinder och konvergera och störa när de har passerat hindret. Beroende på hur subvågorna står i förhållande till varandra, de antingen förstärker eller tar bort varandra. Vi kan använda den andra laserpulsen för att modifiera de individuella subvågorna på ett riktat sätt och på så sätt kontrollera deras interferens, " förklarar Christian Heide från ordföranden för laserfysik. "I allmänhet, det är väldigt svårt att kontrollera kvantfenomen, såsom vågegenskaperna hos elektroner i detta fall. Detta beror på att det är mycket svårt att behålla elektronvågen i ett material eftersom elektronvågen sprids med andra elektroner och förlorar sina vågegenskaper. Experiment inom detta område utförs vanligtvis vid extremt låga temperaturer. Vi kan nu utföra dessa experiment vid rumstemperatur, eftersom vi kan styra elektronerna med laserpulser i så höga hastigheter att det inte finns någon tid över för spridningsprocesserna med andra elektroner. Detta gör det möjligt för oss att undersöka flera nya fysiska processer som tidigare inte var tillgängliga."

Forskarna har gjort betydande framsteg mot att förverkliga elektroniska system som kan styras med hjälp av ljusvågor. Under de närmaste åren, de ska undersöka om elektroner i andra tvådimensionella material också kan styras på samma sätt. "Kanske kommer vi att kunna använda materialforskning för att modifiera materialens egenskaper på ett sådant sätt att det snart kommer att vara möjligt att bygga små transistorer som kan styras av ljus, säger Heide.