Elektronik med lysets hastighed

Et europæisk hold af forskere, herunder fysikere fra University of Konstanz, har fundet en måde at transportere elektroner til tider under femtosekundområdet ved at manipulere dem med lys. Dette kan få store konsekvenser for fremtiden for databehandling og databehandling.

Moderne elektroniske komponenter, som traditionelt er baseret på silicium halvlederteknologi, kan tændes eller slukkes inden for picosekunder (dvs. 10 ^-12 sekunder). Standard mobiltelefoner og computere arbejder ved maksimale frekvenser på flere gigahertz (1 GHz =10 ⁹ Hz), mens individuelle transistorer kan nærme sig en terahertz (1 THz =10 ¹² Hz). Det har siden vist sig at være en udfordring at øge hastigheden, hvormed elektroniske koblingsenheder kan åbnes eller lukkes ved hjælp af standardteknologien. En nylig række eksperimenter - udført på universitetet i Konstanz og rapporteret i en nylig publikation i Naturfysik — demonstrerer, at elektroner kan induceres til at bevæge sig med hastigheder under femtosekunder, dvs hurtigere end 10 ^-15 sekunder, ved at manipulere dem med skræddersyede lysbølger.

"Dette kan meget vel være elektronikkens fjerne fremtid, " siger Alfred Leitenstorfer, Professor i ultrahurtige fænomener og fotonik ved universitetet i Konstanz (Tyskland) og medforfatter til undersøgelsen. "Vores eksperimenter med enkelt-cyklus lysimpulser har bragt os et godt stykke ind i elektrontransportens attosekundeområde." Lys svinger ved frekvenser, der er mindst tusind gange højere end dem, der opnås med rent elektroniske kredsløb:Et femtosekund svarer til 10 ^-15 sekunder, hvilket er den milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Leitenstorfer og hans team fra Institut for Fysik og Center for Anvendt Fotonik (CAP) ved Universitetet i Konstanz mener, at elektronikkens fremtid ligger i integrerede plasmoniske og optoelektroniske enheder, der opererer i enkeltelektronsystemet ved optisk - i stedet for mikrobølger - frekvenser. "Imidlertid, det er meget grundlæggende forskning, vi taler om her, og det kan tage årtier at implementere, " advarer han.

Et spørgsmål om at kontrollere lys og stof

Udfordringen for det internationale hold af teoretiske og eksperimentelle fysikere fra University of Konstanz, universitetet i Luxembourg, CNRS-Université Paris Sud (Frankrig) og Center for Materialefysik (CFM-CSIC) og Donostia International Physics Center (DIPC) i San Sebastián (Spanien), som samarbejdede om dette projekt var at udvikle et eksperimentelt set-up til at manipulere ultrakort lys pulser på femtosekundskalaer under en enkelt svingningscyklus på den ene side, og at skabe nanostrukturer egnet til højpræcisionsmålinger og manipulation af elektroniske ladninger på den anden side. "Heldigvis for os, vi har førsteklasses faciliteter til rådighed lige her i Konstanz, " siger Leitenstorfer, hvis hold udførte eksperimenterne. "Center for Applied Photonics er en verdensførende facilitet til udvikling af ultrahurtig laserteknologi. Og takket være vores Collaborative Research Center 767 Controlled Nanosystems:Interaction and Interface to the Macroscale, vi har adgang til ekstremt veldefinerede nanostrukturer, der kan skabes og styres på nanometerskalaen."

Superhurtig elektronswitch

Den eksperimentelle opsætning udviklet af Leitenstorfers team og koordinerende forfatter Daniele Brida (tidligere leder af en Emmy Noether-forskergruppe ved University of Konstanz, nu professor ved University of Luxembourg) involverede guldantenner i nanoskala samt en ultrahurtig laser, der er i stand til at udsende hundrede millioner enkelt-cyklus lysimpulser i sekundet for at generere en målbar strøm. Bowtie-designet af den optiske antenne muliggjorde en sub-bølgelængde og sub-cyklus spatio-temporal koncentration af det elektriske felt af laserimpulsen i mellemrummet med en bredde på seks nm (1 nm =10 ^-9 meter).

Som et resultat af den meget ikke-lineære karakter af elektrontunnelering ud af metallet og acceleration over hullet i det optiske felt, forskerne var i stand til at skifte elektroniske strømme med hastigheder på cirka 600 attosekunder (dvs. mindre end et femtosekund, 1 som =10 ^-18 sekunder). "Denne proces sker kun på tidsskalaer på mindre end en halv svingningsperiode af lysimpulsens elektriske felt, " forklarer Leitenstorfer - en observation, som projektpartnerne i Paris og San Sebastián var i stand til at bekræfte og kortlægge i detaljer ved hjælp af en tidsafhængig behandling af den elektroniske kvantestruktur koblet til lysfeltet.

Studiet åbner helt nye muligheder for at forstå, hvordan lys interagerer med kondenseret stof, muliggør observation af kvantefænomener på hidtil usete tidsmæssige og rumlige skalaer. Bygger på den nye tilgang til elektrondynamik drevet på nanoskala af optiske felter, som denne undersøgelse giver, forskerne vil gå videre med at undersøge elektrontransport på atomare tids- og længdeskalaer i endnu mere sofistikerede solid-state enheder med picometer dimensioner.