Kiedy chipy komputerowe pracują z coraz krótszymi sygnałami, w pewnym momencie napotykają fizyczne ograniczenia. Procesy kwantowo-mechaniczne, które umożliwiają generowanie prądu elektrycznego w materiale półprzewodnikowym, wymagają czasu. To ogranicza prędkość generowania i transmisji sygnału. Naukowcy z TU Wien, TU Graz i Max Planck Institute of Quantum Optics w Garching zbadali te ograniczenia i doszli do wniosku, że prędkości zdecydowanie nie można zwiększyć powyżej jednego petaherca, nawet jeśli materiał jest optymalnie zestawiony z impulsami laserowymi.

Pola i prądy

Prąd elektryczny i światło (tj. pola elektromagnetyczne) zawsze są ze sobą powiązane. Dotyczy to również mikroelektroniki. W mikrochipach elektryczność jest kontrolowana za pomocą pól elektromagnetycznych. Na przykład do tranzystora można przyłożyć pole elektryczne i w zależności od tego, czy jest ono włączone, czy wyłączone, tranzystor albo przepuszcza prąd elektryczny, albo go blokuje. W ten sposób pole elektromagnetyczne zamieniane jest na sygnał elektryczny.

Aby przetestować granice tej konwersji pól elektromagnetycznych na prąd, zamiast tranzystorów używa się impulsów laserowych – najszybszych i najdokładniejszych dostępnych pól elektromagnetycznych.

– Badane są materiały, które początkowo w ogóle nie przewodzą elektryczności – wyjaśnia prof. Joachim Burgdörfer z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien. – Uderza w nie ultrakrótki impuls laserowy o długości fali w ekstremalnym zakresie UV. Ten impuls laserowy przesuwa elektrony na wyższy poziom energii, dzięki czemu mogą one nagle swobodnie się poruszać. W ten sposób impuls laserowy zamienia materiał w przewodnik elektryczny przez krótki okres.

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 po obu stronach materiału. Procesy te zachodzą niezwykle szybko, w skali czasu atto- lub femtosekund.

– Przez długi czas takie procesy uważano za natychmiastowe – mówi prof. Christoph Lemell (TU Wien). – Dzisiaj mamy jednak niezbędną technologię, aby szczegółowo zbadać ewolucję czasową tych ultraszybkich procesów.

Kluczowe pytanie brzmi: jak szybko materiał reaguje na laser? Jak długo trwa generowanie sygnału i jak długo trzeba czekać, aż materiał zostanie wystawiony na kolejny sygnał? Eksperymenty przeprowadzono w Garching i Graz, a prace teoretyczne i złożone symulacje komputerowe wykonano w TU Wien.

Czas lub energia – ale nie jedno i drugie

Eksperyment prowadzi do klasycznego dylematu niepewności, jaki często występuje w fizyce kwantowej. Do zwiększenia prędkości potrzebne są ekstremalnie krótkie impulsy lasera UV, dzięki czemu nośniki ładunków swobodnych powstają bardzo szybko. Jednak użycie bardzo krótkich impulsów powoduje, że ilość energii, która jest przekazywana elektronom, nie jest dokładnie określona. Elektrony mogą absorbować bardzo różne energie.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Inne

Bardzo wytrzymała „miękka” elektronika

Zespół naukowców z Virginia Tech z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Instytutu Innowacji Makromolekuł stworzył nowy rodzaj „miękkiej” elektroniki, torując drogę urządzeniom, które są m.in. rekonfigurowalne.

 

– Możemy dokładnie określić, w którym momencie powstają nośniki wolnych ładunków, ale nie to, w jakim stanie energetycznym – mówi Christoph Lemell. – Ciała stałe mają różne pasma energii, a przy krótkich impulsach laserowych wiele z nich jest nieuchronnie jednocześnie zaludniana przez nośniki wolnych ładunków.

W zależności od tego, ile energii niosą, elektrony reagują zupełnie inaczej na pole elektryczne. Jeśli ich dokładna energia jest nieznana, nie jest już możliwe precyzyjne sterowanie, a wytwarzany sygnał prądowy jest zniekształcony – zwłaszcza przy wysokich natężeniach lasera.

– Okazuje się, że około jeden petaherc to górna granica dla kontrolowanych procesów optoelektronicznych – oznajmił Joachim Burgdörfer. Oczywiście nie oznacza to, że możliwe jest wyprodukowanie chipów komputerowych o częstotliwości taktowania nieco poniżej jednego petaherca. Realistyczne górne granice techniczne są najprawdopodobniej znacznie niższe. Chociaż praw natury określających ostateczne ograniczenia prędkości optoelektroniki nie da się przechytrzyć, można je teraz analizować i starać się zrozumieć, korzystając w tym celu z zaawansowanych metod.

Źródło: TU Wien