Kohærent elektronbanekontrol i grafen

Elektroniske systemer, der bruger lysbølger i stedet for spændingssignaler, er fordelagtige, da elektromagnetiske lysbølger svinger ved petaherz-frekvens. Det betyder, at fremtidige computere kan fungere med hastigheder 1 million gange hurtigere end nutidens. Forskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) er nu lykkedes med at bruge ultrakorte laserimpulser til præcist at kontrollere elektroner i grafen.

Strømstyring i elektronik, der er 1 million gange hurtigere end i nutidens systemer, er en drøm for mange. Strømstyring er ansvarlig for data- og signaltransmission. Imidlertid, indtil nu, det har været svært at kontrollere strømmen af ​​elektroner i metaller, som metaller reflekterer lysbølger, som derfor ikke kan påvirke elektronerne inde i metallederen.

Fysikere på FAU har derfor vendt sig til grafen, et halvmetal, der kun omfatter ét enkelt lag kulstof og er så tyndt, at lys kan trænge ind og sætte elektroner i bevægelse. I en tidligere undersøgelse, fysikere på lærestolen for laserfysik havde allerede haft held med at generere et elektrisk signal på en tidsskala på kun et femtosekund ved at bruge en meget kort laserpuls. Det svarer til en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. I disse ekstreme tidsskalaer, elektroner afslører deres kvantenatur, da de opfører sig som en bølge. Bølgen af ​​elektroner glider gennem materialet, mens det drives af laserpulsen.

Forskerne gik et skridt videre i den aktuelle undersøgelse. De rettede en anden laserimpuls mod denne lysdrevne bølge. Denne anden impuls gjorde det muligt for elektronbølgen at passere gennem materialet i to dimensioner. Den anden laserimpuls kan bruges til at afbøje, accelerere eller endda ændre retningen af ​​elektronbølgen. Dette muliggør transmission af information via denne bølge, afhængig af det nøjagtige tidspunkt, styrke og retning af den anden puls.

Ifølge forskerne, det er muligt at gå et skridt videre. "Forestil dig, at elektronbølgen er en bølge i vand. Bølger i vand kan splitte sig på grund af en forhindring og konvergere og forstyrre, når de har passeret forhindringen. Afhængigt af hvordan underbølgerne står i forhold til hinanden, de enten forstærker eller ophæver hinanden. Vi kan bruge den anden laserimpuls til at modificere de enkelte delbølger på en målrettet måde og dermed kontrollere deres interferens, " forklarer Christian Heide fra formanden for Laserfysik. "Generelt, det er meget svært at kontrollere kvantefænomener, såsom elektronernes bølgeegenskaber i dette tilfælde. Dette skyldes, at det er meget vanskeligt at opretholde elektronbølgen i et materiale, da elektronbølgen spredes med andre elektroner og mister sine bølgeegenskaber. Eksperimenter på dette område udføres typisk ved ekstremt lave temperaturer. Vi kan nu udføre disse eksperimenter ved stuetemperatur, da vi kan styre elektronerne ved hjælp af laserimpulser med så høje hastigheder, at der ikke er tid tilbage til spredningsprocesserne med andre elektroner. Dette sætter os i stand til at forske i flere nye fysiske processer, som tidligere ikke var tilgængelige."

Forskerne har gjort betydelige fremskridt i retning af at realisere elektroniske systemer, der kan styres ved hjælp af lysbølger. I de næste par år, de skal undersøge, om elektroner i andre todimensionelle materialer også kan styres på samme måde. "Måske vil vi være i stand til at bruge materialeforskning til at ændre materialers egenskaber på en sådan måde, at det snart vil være muligt at bygge små transistorer, der kan styres af lys, siger Heide.