Laserbursts driver de hurtigste logiske porte nogensinde

En langvarig søgen efter videnskab og teknologi har været at udvikle elektronik og informationsbehandling, der fungerer tæt på de hurtigste tidsskalaer, der er tilladt af naturlovene.

En lovende måde at nå dette mål på involverer at bruge laserlys til at styre elektronernes bevægelse i stof og derefter bruge denne kontrol til at udvikle elektroniske kredsløbselementer - et koncept kendt som lysbølgeelektronik.

Det er bemærkelsesværdigt, at lasere i øjeblikket giver os mulighed for at generere strømudbrud på femtosekunders tidsskalaer - det vil sige på en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Alligevel er vores evne til at behandle information i disse ultrahurtige tidsskalaer forblevet uhåndgribelig.

Nu har forskere ved University of Rochester og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) taget et afgørende skridt i denne retning ved at demonstrere en logisk port – byggestenen til beregning og informationsbehandling – der fungerer på femtosekunders tidsskalaer. Bedriften, rapporteret i tidsskriftet Nature , blev opnået ved at udnytte og uafhængigt kontrollere, for første gang, de virkelige og virtuelle ladningsbærere, der udgør disse ultrahurtige udbrud af elektricitet.

Forskernes fremskridt har åbnet døren til informationsbehandling ved petahertz-grænsen, hvor en kvadrillion beregningsoperationer kan behandles i sekundet. Det er næsten en million gange hurtigere end nutidens computere, der opererer med gigahertz clock rates, hvor 1 petahertz er 1 million gigahertz.

"Dette er et godt eksempel på, hvordan fundamental videnskab kan føre til nye teknologier," siger Ignacio Franco, lektor i kemi og fysik ved Rochester, som i samarbejde med ph.d.-studerende Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , udførte de teoretiske undersøgelser, der førte til denne opdagelse.

Lasere genererer ultrahurtige udbrud af elektricitet

I de seneste år har forskere lært, hvordan man udnytter laserimpulser, der varer et par femtosekunder, til at generere ultrahurtige udbrud af elektriske strømme. Dette gøres for eksempel ved at belyse bittesmå grafenbaserede ledninger, der forbinder to guldmetaller. Den ultrakorte laserimpuls sætter i bevægelse, eller "exciterer", elektronerne i grafen og, hvad der er vigtigt, sender dem i en bestemt retning – og genererer således en netto elektrisk strøm.

Laserimpulser kan producere elektricitet langt hurtigere end nogen traditionel metode - og gør det i fravær af påført spænding. Yderligere kan strømmens retning og størrelse styres ved ganske enkelt at variere laserimpulsens form (det vil sige ved at ændre dens fase).

Gennembruddet:Udnyttelse af rigtige og virtuelle ladningsbærere

Forskergrupperne fra Franco og FAU's Peter Hommelhoff har i flere år arbejdet på at omdanne lysbølger til ultrahurtige strømimpulser.

I forsøget på at forene de eksperimentelle målinger i Erlangen med beregningssimuleringer i Rochester, havde holdet en erkendelse:I guld-grafen-guld-forbindelser er det muligt at generere to smagsvarianter - "rigtige" og "virtuelle" - af partiklerne, der bærer ladninger, der udgør disse udbrud af elektricitet.

• "Rigtige" ladningsbærere er elektroner exciteret af lys, som forbliver i retningsbestemt bevægelse, selv efter laserimpulsen er slukket.
• "Virtuelle" ladningsbærere er elektroner, der kun er sat i netto retningsbestemt bevægelse, mens laserimpulsen er tændt. Som sådan er de undvigende arter, der kun lever forbigående under belysning.

Fordi grafen er forbundet med guld, absorberes både reelle og virtuelle ladningsbærere af metallet for at producere en nettostrøm.

Påfaldende nok opdagede holdet, at ved at ændre formen på laserimpulsen kunne de generere strømme, hvor kun de reelle eller virtuelle ladningsbærere spiller en rolle. Med andre ord genererede de ikke kun to varianter af strømme, men de lærte også at kontrollere dem uafhængigt, en opdagelse, der drastisk øger designelementerne i lysbølgeelektronik.

Logiske porte gennem lasere

Ved at bruge dette udvidede kontrollandskab var holdet i stand til eksperimentelt at demonstrere, for første gang, logiske porte, der fungerer på en femtosekunds tidsskala.

Logiske porte er de grundlæggende byggesten, der er nødvendige for beregninger. De styrer, hvordan indgående information, som har form af 0 eller 1 (kendt som bits), behandles. Logiske porte kræver to indgangssignaler og giver et logisk output.

I forskernes eksperiment er inputsignalerne formen eller fasen af ​​to synkroniserede laserimpulser, som hver er valgt til kun at generere en burst af reelle eller virtuelle ladningsbærere. Afhængigt af de anvendte laserfaser kan disse to bidrag til strømmene enten lægges sammen eller udligne. Det elektriske nettosignal kan tildeles logisk information 0 eller 1, hvilket giver en ultrahurtig logisk gate.

»Der går nok meget lang tid, før denne teknik kan bruges i en computerchip, men nu ved vi i hvert fald, at lysbølgeelektronik er praktisk muligt,« siger Tobias Boolakee, der ledede den eksperimentelle indsats som ph.d. studerende på FAU.

"Vores resultater baner vejen mod ultrahurtig elektronik og informationsbehandling," siger Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), nu postdoktor ved McGill University.

"Det forbløffende ved denne logiske port," siger Franco, "er, at operationerne ikke udføres i gigahertz, som i almindelige computere, men i petahertz, som er en million gange hurtigere. Dette er på grund af de virkelig korte laserimpulser, der bruges. der sker på en milliontedel af en milliardtedel af et sekund."

Fra grundlæggende til applikationer

Denne nye, potentielt transformerende teknologi opstod fra grundlæggende undersøgelser af, hvordan ladning kan drives i nanoskalasystemer med lasere.

"Gennem grundlæggende teori og dens forbindelse med eksperimenterne afklarede vi rollen af ​​virtuelle og reelle ladningsbærere i laser-inducerede strømme, og det åbnede vejen for skabelsen af ​​ultrahurtige logiske porte," siger Franco.

Studiet repræsenterer mere end 15 års forskning udført af Franco. I 2007, som ph.d. studerende ved University of Toronto, udtænkte han en metode til at generere ultrahurtige elektriske strømme i molekylære ledninger udsat for femtosekund-laserimpulser. Dette oprindelige forslag blev senere implementeret eksperimentelt i 2013 og den detaljerede mekanisme bag eksperimenterne forklaret af Franco-gruppen i en 2018-undersøgelse. Siden da har der været, hvad Franco kalder "eksplosiv" eksperimentel og teoretisk vækst på dette område.

"Dette er et område, hvor teori og eksperimenter udfordrer hinanden og dermed løfter sløret for nye fundamentale opdagelser og lovende teknologier," siger han. + Udforsk yderligere

Kvantefysik sætter en hastighedsgrænse for elektronik