Ultrashort lysimpulser til hurtige lysbølgecomputere

Ekstremt kort, konfigurerbare "femtosekund" lysimpulser demonstreret af et internationalt team kan føre til fremtidige computere, der kører op til 100, 000 gange hurtigere end nutidens elektronik.

Forskerne, herunder ingeniører ved University of Michigan, viste, at de kunne styre spidserne i laserpulserne og også vride lyset.

Metoden flytter elektroner hurtigere og mere effektivt end elektriske strømme - og med pålidelige virkninger på deres kvantetilstande. Det er et skridt i retning af såkaldt "lysbølgeelektronik" og, i en fjernere fremtid, kvanteberegning, sagde Mackillo Kira, U-professor i elektroteknik og datalogi, der var involveret i forskningen.

Elektroner, der bevæger sig gennem en halvleder i en computer, for eksempel, lejlighedsvis støder på andre elektroner, frigiver energi i form af varme. Men et koncept kaldet lysbølgeelektronik foreslår, at elektroner kan styres af ultrahurtige laserpulser. Selvom høj hastighed i en bil gør det mere sandsynligt, at en chauffør styrter ind i noget, høj hastighed for en elektron kan gøre rejsetiden så kort, at det statistisk set er usandsynligt at ramme noget.

"I de seneste år, vi og andre grupper har fundet ud af, at det oscillerende elektriske felt af ultrakorte laserpulser faktisk kan flytte elektroner frem og tilbage i faste stoffer, "sagde Rupert Huber, professor i fysik ved University of Regensburg, der ledede eksperimentet. "Alle var straks begejstrede, fordi man muligvis kunne udnytte dette princip til at bygge fremtidige computere, der arbejder med hidtil usete urfrekvenser-10 til hundrede tusinde gange hurtigere end den nyeste elektronik."

Men først, forskere skal kunne styre elektroner i en halvleder. Dette arbejde tager et skridt i retning af denne evne ved at mobilisere grupper af elektroner inde i en halvlederkrystal ved hjælp af terahertz -stråling - den del af det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og infrarødt lys.

Forskerne skinnede laserpulser ind i en krystal af halvlederen galliumselenid. Disse pulser var meget korte på mindre end 100 femtosekunder, eller 100 kvadrilliondeler af et sekund. Hver puls sprang elektroner i halvlederen ind i et højere energiniveau - hvilket betød, at de var frie til at bevæge sig rundt - og bar dem videre. Halvlederkrystalets forskellige orienteringer med hensyn til pulserne betød, at elektroner bevægede sig i forskellige retninger gennem krystallen - f.eks. de kunne løbe langs atombindinger eller imellem dem.

"De forskellige energilandskaber kan ses som en flad og lige gade for elektroner i en krystalretning, men for andre, det kan ligne mere et skråt plan til siden, "sagde Fabian Langer, en doktorand i fysik på Regensburg. "Det betyder, at elektronerne ikke længere bevæger sig i laserfeltets retning, men udfører deres egen bevægelse dikteret af det mikroskopiske miljø."

Når elektronerne udsendte lys, da de kom ned fra det højere energiniveau, deres forskellige rejser blev afspejlet i pulserne. De udsendte meget kortere impulser end den elektromagnetiske stråling, der gik ind. Disse lysudbrud var kun få femtosekunder lange.

Inde i en krystal, de er hurtige nok til at tage snapshots af andre elektroner, når de bevæger sig mellem atomerne, og de kunne også bruges til at læse og skrive information til elektroner. For det, forskere skulle være i stand til at kontrollere disse pulser - og krystallen giver en række værktøjer.

"Der er hurtige svingninger som fingre inden for en puls. Vi kan flytte fingrenes position virkelig let ved at dreje krystallen, sagde Kira, hvis gruppe arbejdede med forskere ved University of Marburg, Tyskland, at fortolke Hubers eksperiment.

Krystallen kunne også vride de udgående lysbølger eller ej, afhængig af dets orientering til de indkommende laserpulser.

Fordi femtosekundpulser er hurtige nok til at opfange en elektron mellem at blive sat i en ophidset tilstand og komme ned fra den tilstand, de kan potentielt bruges til kvanteberegninger ved hjælp af elektroner i spændte tilstande som qubits.

"For eksempel, her lykkedes det os at starte en elektron samtidigt via to excitationsveje, hvilket ikke er klassisk muligt. Det er kvanteverdenen. I kvanteverdenen, mærkelige ting sker, "Sagde Kira.

En elektron er lille nok til, at den opfører sig som en bølge såvel som en partikel - og når den er i en ophidset tilstand, dens bølgelængde ændres. Fordi elektronen var i to spændte tilstande på én gang, disse to bølger interfererede med hinanden og efterlod et fingeraftryk i femtosekundspulsen, som elektronen udsendte.

"Denne ægte kvanteeffekt kunne ses i femtosekundpulserne som ny, kontrollerbar, oscillationsfrekvenser og retninger, "Sagde Kira." Dette er naturligvis grundlæggende fysik. Med de samme ideer kan du optimere kemiske reaktioner. Du får muligvis nye måder at gemme oplysninger eller overføre oplysninger sikkert ved hjælp af kvantekryptografi. "

Huber er især interesseret i stroboskopiske slowmotion -kameraer for at afsløre nogle af de hurtigste processer i naturen, såsom elektroner, der bevæger sig rundt i atomer.

"Vores krystallinske faste stoffer skaber fantastiske lyskilder på dette område - med hidtil usete muligheder for pulsformning, " han sagde.

Et papir om værket, med titlen "Symmetri-kontrolleret tidsstruktur for højharmoniske bærerfelter fra en massekrystal, "vil blive offentliggjort i Natur fotonik . Forskningen er finansieret af European Research Council og German Research Foundation.