25 مارس 2022توسط دانشگاه صنعتی وین -یک پالس لیزری فوق کوتاه (آبی) حامل های شارژ رایگان ایجاد می کند، پالس دیگر (قرمز) آنها را در جهت مخالف شتاب می دهد. اعتبار: TU Wien
الکترونیک چقدر می تواند سریع باشد؟ وقتی تراشه‌های کامپیوتری با سیگنال‌ها و فواصل زمانی کوتاه‌تر کار می‌کنند، در برخی مواقع با محدودیت‌های فیزیکی مواجه می‌شوند. فرآیندهای مکانیکی کوانتومی که تولید جریان الکتریکی را در یک ماده نیمه هادی امکان پذیر می کند، زمان معینی را می طلبد. این امر محدودیتی را برای سرعت تولید سیگنال و انتقال سیگنال ایجاد می کند.
TU Wien وین، TU Graz و موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در Garching اکنون توانسته اند این محدودیت ها را کشف کنند: قطعاً نمی توان سرعت را بیش از یک پتاهرتز (یک میلیون گیگاهرتز) افزایش داد، حتی اگر ماده درحالت التهابی باشد. که یک راه بهینه با پالس های لیزر است. این نتیجه اکنون در مجله علمی Nature Communications منتشر شده است.
میدان ها و جریان ها
جریان الکتریکی و نور (یعنی میدان های الکترومغناطیسی) همیشه به هم مرتبط هستند. در میکروالکترونیک نیز چنین است: در ریزتراشه ها، الکتریسیته با کمک میدان های الکترومغناطیسی کنترل می شود. به عنوان مثال، میدان الکتریکی را می توان روی یک ترانزیستور اعمال کرد و بسته به اینکه میدان روشن یا خاموش باشد، ترانزیستور یا اجازه می دهد جریان الکتریکی جریان یابد یا آن را مسدود می کند. به این ترتیب میدان الکترومغناطیسی به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود.
برای آزمایش محدودیت‌های این تبدیل میدان‌های الکترومغناطیسی به جریان، از پالس‌های لیزری – سریع‌ترین و دقیق‌ترین میدان‌های الکترومغناطیسی موجود – به جای ترانزیستور استفاده می‌شود.
پروفسور Joachim Burgdörfer از موسسه فیزیک نظری در TU Wien توضیح می دهد: موادی مورد مطالعه قرار می گیرند که در ابتدا اصلاً رسانای الکتریسیته نیستند. این پالس لیزری توسط یک پالس لیزری فوق کوتاه با طول موج در محدوده شدید UV مورد اصابت قرار می گیرد. این پالس لیزر الکترون ها را به سطح انرژی بالاتری منتقل می کند، به طوری که آنها می توانند ناگهان آزادانه حرکت کنند. به این ترتیب، پالس لیزر مواد را تبدیل می کند. که یک هادی الکتریکی برای مدت کوتاه است . به محض اینکه حامل‌های بار آزادانه در مواد حرکت می‌کنند، می‌توان آنها را با یک پالس لیزری دوم و کمی طولانی‌تر در جهت خاصی حرکت داد. این یک جریان الکتریکی ایجاد می کند که سپس می تواند با الکترودهای دو طرف ماده شناسایی شود.
این فرآیندها بسیار سریع، در مقیاس زمانی آتو یا فمتوثانیه اتفاق می‌افتند. پروفسور کریستوف لمل ازTU Wien می گوید: “برای مدت طولانی، چنین فرآیندهایی آنی تلقی می شدند.” با این حال، امروزه ما فناوری لازم برای مطالعه دقیق تکامل زمانی این فرآیندهای فوق سریع را داریم. سوال مهم این است: چقدر سریع ماده به لیزر واکنش نشان می دهد؟ تولید سیگنال چقدر طول می کشد و چقدر باید منتظر ماند تا مواد در معرض سیگنال بعدی قرار گیرند؟ آزمایش ها در گارچینگ و گراتس انجام شد، کار نظری و شبیه سازی های کامپیوتری پیچیده در TU Wien انجام شد.
زمان یا انرژی – اما نه هر دو
این آزمایش منجر به یک معضل عدم قطعیت کلاسیک می شود، همانطور که اغلب در فیزیک کوانتوم رخ می دهد: برای افزایش سرعت، پالس های لیزر UV بسیار کوتاه مورد نیاز است، به طوری که حامل های شارژ بسیار سریع ایجاد می شوند. با این حال، استفاده از پالس های بسیار کوتاه به این معنی است که مقدار انرژی که به الکترون ها منتقل می شود دقیقاً تعریف نشده است. الکترون ها می توانند انرژی های بسیار متفاوتی را جذب کنند. کریستوف لمل می‌گوید: «ما دقیقاً می‌توانیم بگوییم که حامل‌های شارژ در چه زمانی ایجاد می‌شوند، اما نه در کدام حالت انرژی هستند.» جامدات دارای نوارهای انرژی متفاوتی هستند و با پالس های کوتاه لیزری، بسیاری از آنها به طور اجتناب ناپذیری توسط حامل های شارژ در همان زمان پر می شوند.
بسته به مقدار انرژی که الکترون ها حمل می کنند، واکنش های متفاوتی نسبت به میدان الکتریکی نشان می دهند. اگر انرژی دقیق آنها ناشناخته باشد، دیگر نمی توان آنها را به طور دقیق کنترل کرد و سیگنال فعلی که تولید می شود تحریف می شود – به خصوص در شدت لیزر بالا.
یواخیم بورگدورفر می‌گوید: «به نظر می‌رسد که حدود یک پتاهرتز حد بالایی برای فرآیندهای اپتوالکترونیکی کنترل‌شده است. البته این بدان معنا نیست که امکان تولید تراشه های کامپیوتری با فرکانس کلاک درست زیر یک پتاهرتز وجود دارد. محدودیت های فنی واقعی به احتمال زیاد به میزان قابل توجهی پایین تر هستند. حتی اگر قوانین طبیعت تعیین کننده محدودیت های سرعت نهایی اپتوالکترونیک قابل پیشی گرفتن نیستند، اکنون می توان آنها را با روش های پیچیده جدید تحلیل و درک کرد.
