Насколько быстрой может быть электроника? Когда компьютерные чипы работают со все более короткими сигналами и временными интервалами, в какой-то момент они упираются в физические ограничения. Квантово-механические процессы, обеспечивающие генерацию электрического тока в полупроводниковом материале, занимают определенное время. Это накладывает ограничение на скорость генерации и передачи сигналов.
Технический университет Вены (Вена), Технический университет Граца и Институт квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге теперь смогли исследовать эти пределы: скорость определенно не может быть увеличена выше одного петагерца (миллиона гигагерц), даже если материал возбуждается оптимальный способ с лазерными импульсами. Этот результат был опубликован в научном журнале Nature Communications .
Поля и токи
Электрический ток и свет (т.е. электромагнитные поля ) всегда взаимосвязаны. То же самое и в микроэлектронике: в микросхемах управление электричеством осуществляется с помощью электромагнитных полей. Например, к транзистору можно приложить электрическое поле, и в зависимости от того, включено или выключено поле, транзистор либо пропускает электрический ток , либо блокирует его. Таким образом, электромагнитное поле преобразуется в электрический сигнал .
Чтобы проверить пределы этого преобразования электромагнитных полей в ток, вместо транзисторов используются лазерные импульсы — самые быстрые и точные из доступных электромагнитных полей.
«Изучаются материалы, которые изначально вообще не проводят электричество», — объясняет профессор Йоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета. «На них воздействует ультракороткий лазерный импульс с длиной волны в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Этот лазерный импульс переводит электроны на более высокий энергетический уровень, так что они могут внезапно двигаться свободно. Таким образом, лазерный импульс превращает материал в электрический проводник в течение короткого периода времени». Как только в материале появляются свободно движущиеся носители заряда , их можно сдвинуть в определенном направлении вторым, немного более длинным лазерным импульсом. Это создает электрический ток, который затем можно обнаружить с помощью электродов с обеих сторон материала.
Эти процессы происходят чрезвычайно быстро, в масштабе времени атто- или фемтосекунд. «Долгое время такие процессы считались мгновенными, — говорит профессор Кристоф Лемелл (Технический университет Вены). «Однако сегодня у нас есть необходимые технологии для детального изучения временной эволюции этих сверхбыстрых процессов». Ключевой вопрос: как быстро материал реагирует на лазер? Сколько времени занимает генерация сигнала и сколько нужно ждать, пока материал не подвергнется воздействию следующего сигнала? Эксперименты проводились в Гархинге и Граце, теоретическая работа и сложное компьютерное моделирование выполнялись в Техническом университете Вены.
Время или энергия, но не то и другое
Эксперимент приводит к классической дилемме неопределенности, как это часто происходит в квантовой физике : для увеличения скорости необходимы чрезвычайно короткие импульсы УФ-лазера, так что свободные носители заряда создаются очень быстро. Однако использование чрезвычайно коротких импульсов подразумевает, что количество энергии, передаваемой электронам, точно не определено. Электроны могут поглощать очень разные энергии. «Мы можем точно сказать, в какой момент времени создаются свободные носители заряда, но не можем сказать, в каком энергетическом состоянии они находятся», — говорит Кристоф Лемелл. «Твердые тела имеют разные энергетические зоны, и при коротких лазерных импульсах многие из них неизбежно одновременно заселяются свободными носителями заряда».
В зависимости от того, сколько энергии они несут, электроны совершенно по-разному реагируют на электрическое поле . Если их точная энергия неизвестна, их невозможно точно контролировать, и производимый сигнал тока искажается, особенно при высокой интенсивности лазера.
«Оказывается, около одного петагерца — это верхний предел для управляемых оптоэлектронных процессов», — говорит Йоахим Бургдёрфер. Конечно, это не означает, что можно производить компьютерные микросхемы с тактовой частотой чуть ниже одного петагерца. Реалистичные технические верхние пределы, скорее всего, значительно ниже. Несмотря на то, что законы природы , определяющие конечные пределы скорости оптоэлектроники, невозможно перехитрить, теперь их можно проанализировать и понять с помощью новых сложных методов.
