Kvantefysik sætter en hastighedsgrænse for elektronik

Hvor hurtig kan elektronik være? Når computerchips arbejder med stadig kortere signaler og tidsintervaller, støder de på et tidspunkt på fysiske grænser. De kvantemekaniske processer, der muliggør generering af elektrisk strøm i et halvledermateriale, tager en vis tid. Dette sætter en grænse for hastigheden af ​​signalgenerering og signaltransmission.

TU Wien (Wien), TU Graz og Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har nu været i stand til at udforske disse grænser:Hastigheden kan absolut ikke øges ud over en petahertz (en million gigahertz), selvom materialet er exciteret i en optimal måde med laserimpulser. Dette resultat er nu offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications .

Felter og strømme

Elektrisk strøm og lys (dvs. elektromagnetiske felter) er altid forbundet med hinanden. Sådan er det også i mikroelektronik:I mikrochips styres elektriciteten ved hjælp af elektromagnetiske felter. For eksempel kan et elektrisk felt påføres en transistor, og afhængigt af om feltet er tændt eller slukket, tillader transistoren enten elektrisk strøm at flyde eller blokerer den. På denne måde omdannes et elektromagnetisk felt til et elektrisk signal.

For at teste grænserne for denne konvertering af elektromagnetiske felter til strøm, bruges laserimpulser - de hurtigste og mest præcise elektromagnetiske felter til rådighed - i stedet for transistorer.

"Der bliver undersøgt materialer, som i starten slet ikke leder elektricitet," forklarer prof. Joachim Burgdörfer fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "Disse rammes af en ultrakort laserimpuls med en bølgelængde i det ekstreme UV-område. Denne laserimpuls forskyder elektronerne til et højere energiniveau, så de pludselig kan bevæge sig frit. På den måde gør laserimpulsen materialet til en elektrisk leder i en kort periode." Så snart der er frit bevægelige ladningsbærere i materialet, kan de flyttes i en bestemt retning med en anden lidt længere laserimpuls. Dette skaber en elektrisk strøm, som derefter kan detekteres med elektroder på begge sider af materialet.

Disse processer sker ekstremt hurtigt, på en tidsskala af atto- eller femtosekunder. "I lang tid blev sådanne processer betragtet som øjeblikkelige," siger professor Christoph Lemell (TU Wien). "I dag har vi imidlertid den nødvendige teknologi til at studere tidsudviklingen af ​​disse ultrahurtige processer i detaljer." Det afgørende spørgsmål er:Hvor hurtigt reagerer materialet på laseren? Hvor lang tid tager signalgenereringen, og hvor lang tid skal man vente, indtil materialet kan udsættes for det næste signal? Forsøgene blev udført i Garching og Graz, det teoretiske arbejde og komplekse computersimuleringer blev udført på TU Wien.

Tid eller energi – men ikke begge dele

Forsøget fører til et klassisk usikkerhedsdilemma, som det ofte forekommer i kvantefysikken:For at øge hastigheden skal der ekstremt korte UV-laserimpulser til, så der meget hurtigt skabes gratis ladningsbærere. Brug af ekstremt korte impulser betyder imidlertid, at mængden af ​​energi, der overføres til elektronerne, ikke er præcist defineret. Elektronerne kan optage meget forskellige energier. "Vi kan fortælle præcist på hvilket tidspunkt de gratis ladningsbærere skabes, men ikke i hvilken energitilstand de er," siger Christoph Lemell. "Faststoffer har forskellige energibånd, og med korte laserimpulser er mange af dem uundgåeligt befolket af gratis ladningsbærere på samme tid."

Afhængigt af hvor meget energi de bærer, reagerer elektronerne ganske forskelligt på det elektriske felt. Hvis deres nøjagtige energi er ukendt, er det ikke længere muligt at kontrollere dem præcist, og det aktuelle signal, der produceres, forvrænges – især ved høje laserintensiteter.

"Det viser sig, at omkring en petahertz er en øvre grænse for kontrollerede optoelektroniske processer," siger Joachim Burgdörfer. Det betyder naturligvis ikke, at det er muligt at producere computerchips med en clock-frekvens på lige under en petahertz. Realistiske tekniske øvre grænser er højst sandsynligt betydeligt lavere. Selvom naturlovene, der bestemmer de ultimative hastighedsgrænser for optoelektronik, ikke kan overlistes, kan de nu analyseres og forstås med sofistikerede nye metoder. + Udforsk yderligere

Sådan tager du et billede af en lysimpuls