Ultrakrótki impuls lasera (niebieski) tworzy nośniki ładunku, a kolejny impuls (czerwony) przyspiesza je w przeciwnych kierunkach

Jeden petahertz – oto granica kontroli procesów optoelektronicznych

Elektronika półprzewodnikowa jest coraz szybsza, ale zwiększanie prędkości ma swoje limity. Teraz fizycy zbadali najkrótszą możliwą skalę czasową zjawisk optoelektronicznych – to jeden petahertz.

Gdy układy komputerowe pracują z coraz krótszymi sygnałami i odstępami czasu, na pewnym etapie napotykają na fizyczne ograniczenia. Procesy kwantowo-mechaniczne, które umożliwiają wytworzenie prądu elektrycznego w materiale półprzewodnikowym, wymagają określonego czasu. Stanowi to ograniczenie dla szybkości generowania i przesyłania sygnałów.

Zespół uczonych z TU Wien, TU Graz i Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka w Garching zbadał te ograniczenia. Nawet przy optymalnym wzbudzeniu materiału impulsami laserowymi nie można zwiększyć prędkości powyżej jednego petahertza. Szczegóły badań zostały opublikowane w Nature Communications.

Droga pod prąd

Prąd elektryczny i światło są ze sobą zawsze powiązane. W mikroprocesorach prąd elektryczny jest sterowany za pomocą pól elektromagnetycznych. Do tranzystora można przyłożyć pole elektryczne i – w zależności od tego, czy jest ono włączone, czy wyłączone – przepuszcza on prąd elektryczny albo go blokuje. W ten sposób pole elektromagnetyczne jest przekształcane w sygnał elektryczny.

Czytaj też: Nadchodzi nowa era mikroskopii. Elektrony oglądane dokładnie jak nigdy

Fizycy do badania tej konwersji stosują lasery – najszybsze i najbardziej precyzyjne z dostępnych pól elektromagnetycznych.

Badane są materiały, które początkowo w ogóle nie przewodzą prądu. Są one poddawane działaniu ultrakrótkiego impulsu laserowego o długości fali w zakresie ekstremalnego promieniowania ultrafioletowego. Impuls laserowy przesuwa elektrony na wyższy poziom energetyczny, dzięki czemu mogą się one nagle swobodnie poruszać. W ten sposób impuls laserowy zamienia materiał w przewodnik elektryczny na krótki okres czasu.

prof. Joachim Burgdörfer z TU Wien

Gdy tylko w materiale pojawią się swobodnie poruszające się nośniki ładunku, można je przesunąć w określonym kierunku za pomocą drugiego, nieco dłuższego impulsu laserowego. W ten sposób powstaje prąd elektryczny, który można następnie wykryć za pomocą elektrod umieszczonych po obu stronach materiału. Procesy te zachodzą niezwykle szybko, w skali czasowej rzędu atto- lub femtosekund.

Przez długi czas takie procesy były uważane za natychmiastowe. Dziś jednak dysponujemy technologią niezbędną do szczegółowego badania ewolucji czasowej tych ultraszybkich procesów. Zasadnicze pytanie brzmi: jak szybko materiał reaguje na laser? Jak długo trwa generowanie sygnału i jak długo trzeba czekać, aż materiał będzie mógł być wystawiony na działanie kolejnego sygnału?

prof. Christoph Lemell z TU Wien

Eksperyment ten prowadzi do klasycznego dylematu niepewności, który jest powszechny w fizyce kwantowej. Aby zwiększyć prędkość, potrzebne są bardzo krótkie impulsy lasera UV, dzięki czemu nośniki ładunku powstają bardzo szybko. Jednak użycie ekstremalnie krótkich impulsów oznacza, że ilość energii, która jest przekazywana elektronom, nie jest dokładnie określona. Elektrony mogą absorbować bardzo różne energie.

Możemy dokładnie określić, w którym momencie powstają swobodne nośniki ładunku, ale nie w jakim stanie energetycznym się znajdują. Ciała stałe mają różne pasma energetyczne, a przy krótkich impulsach lasera wiele z nich jest nieuchronnie zasiedlanych przez nośniki ładunków swobodnych w tym samym czasie.

prof. Christoph Lemell

W zależności od tego, jak dużą energię niosą, elektrony reagują zupełnie inaczej na pole elektryczne. Jeśli ich dokładna energia nie jest znana, nie można nimi precyzyjnie sterować, a wytwarzany sygnał prądowy ulega zniekształceniu – zwłaszcza przy dużych natężeniach lasera. Okazuje się, że ok. jeden petahertz stanowi górną granicę dla kontrolowanych procesów optoelektronicznych. Realne techniczne górne granice są najprawdopodobniej znacznie niższe. Chociaż praw natury określających ostateczne limity prędkości optoelektroniki nie da się przechytrzyć, można je teraz przeanalizować i zrozumieć za pomocą nowych, zaawansowanych metod.