Fra isolator til leder hurtigt

I de seneste årtier har computere er blevet hurtigere, og harddiske og lagringschips har nået enorme kapaciteter. Men denne tendens kan ikke fortsætte for evigt. Fysiske grænser forhindrer siliciumbaseret computerteknologi i at opnå yderligere hastighedsforøgelser. Forskere er optimistiske over, at den næste æra med teknologiske fremskridt starter med udviklingen af ​​nye informationsbehandlingsmaterialer og teknologier, der kombinerer elektriske kredsløb med optiske. Brug af korte laserpulser, et forskerhold ledet af Misha Ivanov fra Max Born Institute i Berlin, sammen med forskere fra Russian Quantum Center i Moskva, har belyst de ekstremt hurtige processer, der finder sted inden for disse nye materialer. Deres resultater vises i Natur fotonik .

Af særlig interesse for moderne materialeforskning inden for solid state -fysik er stærkt korrelerede systemer, som udviser stærke vekselvirkninger mellem elektroner. Magneter er et godt eksempel:Elektronerne i magneter justerer sig selv i en foretrukken rotationsretning inde i materialet, producerer magnetfeltet. Men der er andre, helt andre strukturelle ordrer, der fortjener opmærksomhed. For eksempel, i såkaldte Mott-isolatorer, elektronerne burde flyde frit, og materialerne skulle derfor kunne lede elektricitet såvel som metaller. Men den indbyrdes interaktion mellem elektroner i disse stærkt korrelerede materialer hæmmer deres strømning, og derfor opfører materialerne sig som isolatorer i stedet.

Ved at forstyrre denne ordre med en stærk laserpuls, de fysiske egenskaber kan få dramatisk til at ændre sig. Dette kan sammenlignes med en faseovergang fra fast til flydende - når is smelter, for eksempel, stive iskrystaller omdannes til fritstrømmende vandmolekyler. Meget ens, elektronerne i et stærkt korreleret materiale bliver frie til at flyde, når en ekstern laserpuls tvinger en faseovergang i deres strukturelle rækkefølge. Sådanne faseovergange bør give forskere mulighed for at udvikle helt nye koblingselementer til næste generations elektronik, der er hurtigere og potentielt mere energieffektive end nutidens transistorer. I teorien, computere kunne laves omkring 1000 gange hurtigere ved at "turbolade" deres elektriske komponenter med lysimpulser.

Problemet med at studere disse faseovergange er, at de er ekstremt hurtige, og det er derfor meget svært at fange dem på gerningen. Forskere har måttet nøjes med at karakterisere tilstanden af ​​et materiale før og efter en faseovergang af denne art. Imidlertid, forskere Rui E. F. Silva, Olga Smirnova, og Misha Ivanov fra Berlin Max Born Institute har nu udtænkt en metode, der vil, i sandeste forstand, kaste lys over processen. Deres teori går ud på at skyde ekstremt kort, skræddersyede laserpulser til et materiale - pulser er nu kun mulige i den passende kvalitet via den seneste udvikling inden for lasere. De observerede materialets reaktion på disse pulser for at se, hvordan elektronerne i materialet exciteres til bevægelse, og, som en klokke, udsender resonante vibrationer ved specifikke frekvenser som harmoniske af det indfaldende lys.

"Ved at analysere dette høje harmoniske spektrum, vi kan observere ændringen i den strukturelle orden i disse stærkt korrelerede materialer live for første gang, "siger første forfatter Rui Silva fra Max Born Institute. Laserkilder, der er i stand til præcist at udløse disse overgange, er den seneste udvikling. Laserpulserne skal være tilstrækkeligt stærke og ekstremt korte - i størrelsesordenen femtosekunder i varighed (milliontedele af en milliarddel af en sekund).

I nogle tilfælde, det tager kun en enkelt svingning af lys at forstyrre den elektroniske rækkefølge af et materiale og gøre en isolator til en metallignende leder. Forskerne ved Berlin Max Born Institute er blandt verdens førende eksperter inden for ultrakorte laserpulser. "Hvis vi vil bruge lys til at styre egenskaberne af elektroner i et materiale, så skal vi vide nøjagtigt, hvordan elektronerne reagerer på lyspulser, "Forklarer Ivanov. Med den nyeste generations laserkilder, som tillader fuld kontrol over det elektromagnetiske felt selv ned til en enkelt svingning, den nyligt offentliggjorte metode vil give dyb indsigt i fremtidens materialer.