Przesyłanie sygnałów ma swoje granice. Właśnie udało się je ustalić

Naukowcy z Niemiec i Austrii, którzy opisali swoje badania w Naturce Communications, postanowili przekonać się, jakie są ograniczenia w zakresie szybkości generowania i przesyłania sygnałów w układach komputerowych.

Prąd elektryczny i światło są ze sobą powiązane, dlatego w mikroprocesorach prąd elektryczny jest sterowany za pomocą pól elektromagnetycznych, czyli światła. Przyłożenie pola elektrycznego do tranzystora może sprawić, że ten będzie przepuszczał prąd bądź go blokował. W takich okolicznościach dochodzi do przekształcania pola elektromagnetycznego w sygnał elektryczny.

Czytaj też: Tajemnicze fale wirowe na Słońcu. Skąd się biorą i co w nich niezwykłego?

Autorzy nowych badań skoncentrowanych na potencjalnych ograniczeniach dotyczących przesyłania sygnałów w takich układach postanowili skorzystać z impulsów laserowych. Są one najszybszymi i najbardziej precyzyjnymi z dostępnych pól elektromagnetycznych. W toku eksperymentów okazało się, iż nawet optymalne wzbudzenie materiału takimi impulsami laserowymi nie pozwalało na przekroczenie jednego petaherca, czyli miliona gigaherców.

Wzbudzenie materiału impulsami laserowymi nie pozwalało na przekroczenie jednego petaherca

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.

Joachim Burgdörfer, TU Wien

Jak dodaje Burgdörfer, kiedy w materiale pojawiają się swobodnie poruszające się nośniki ładunku, możliwe staje się ich przesunięcie w wybranym kierunku za pomocą drugiego, nieco dłuższego impulsu laserowego. Dzięki temu powstaje prąd elektryczny, który można wykryć za pomocą elektrod umieszczonych po obu stronach materiału. Dzięki najnowszym technologiom można precyzyjnie mierzyć czas trwania tych procesów, lecz nadal pozostawało kilka pytań pozbawionych odpowiedzi. Wśród nich wymienia się choćby te o szybkość reakcji materiału na laser, czas generowania sygnału oraz oczekiwania, aż materiał będzie mógł być wystawiony na działanie kolejnego sygnału.

Czytaj też: Kwantowa dystrybucja klucza coraz bliżej. Osiągnięto kamień milowy

Zwiększenie prędkości jest możliwe dzięki użyciu ekstremalnie krótkich impulsów. Prowadzi to jednak do pewnych komplikacji, ponieważ ilość energii przekazywanej elektronom nie jest wtedy dokładnie określona. Jeden z członków zespołu badawczego, Christoph Lemell, wyjaśnia, iż możliwe jest określenie, w którym momencie powstają swobodne nośniki ładunku, ale nie w jakim stanie energetycznym się znajdują. W zależności od ilości przenoszonej przez nie energii, elektrony reagują zupełnie inaczej na pole elektryczne. A bez znajomości ich dokładnej energii nie można nimi precyzyjnie sterować, przez co wytwarzany sygnał ulega zniekształceniu. Jeśli chodzi o wspomnianą górną granicę, to jeden petaherc wydaje się realny wyłącznie „na papierze”. W praktyce granica najprawdopodobniej będzie znacznie niższa.