Extreem kort, configureerbare "femtoseconde" lichtpulsen, gedemonstreerd door een internationaal team, zouden kunnen leiden tot toekomstige computers die tot 100, 000 keer sneller dan de hedendaagse elektronica.

De onderzoekers, waaronder ingenieurs aan de Universiteit van Michigan, toonden aan dat ze de pieken in de laserpulsen konden beheersen en ook het licht konden verdraaien.

De methode verplaatst elektronen sneller en efficiënter dan elektrische stromen - en met betrouwbare effecten op hun kwantumtoestanden. Het is een stap in de richting van zogenaamde "lichtgolfelektronica" en, in de verre toekomst, kwantumcomputers, zei Mackillo Kira, U-M hoogleraar elektrotechniek en informatica die bij het onderzoek betrokken was.

Elektronen die door een halfgeleider in een computer bewegen, bijvoorbeeld, komt af en toe andere elektronen tegen, energie vrijgeven in de vorm van warmte. Maar een concept genaamd lichtgolfelektronica stelt voor dat elektronen kunnen worden geleid door ultrasnelle laserpulsen. Terwijl hoge snelheid in een auto de kans groter maakt dat een bestuurder ergens tegenaan botst, hoge snelheid voor een elektron kan de reistijd zo kort maken dat het statistisch gezien onwaarschijnlijk is dat het iets raakt.

"In de laatste paar jaren, wij en andere groepen hebben ontdekt dat het oscillerende elektrische veld van ultrakorte laserpulsen elektronen in vaste stoffen heen en weer kan bewegen, " zei Rupert Huber, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg die het experiment leidde. "Iedereen was meteen enthousiast omdat je dit principe misschien kunt gebruiken om toekomstige computers te bouwen die werken met ongekende kloksnelheden - 10 tot honderdduizend keer sneller dan de modernste elektronica."

Maar eerst, onderzoekers moeten elektronen in een halfgeleider kunnen sturen. Dit werk zet een stap in de richting van dit vermogen door groepen elektronen in een halfgeleiderkristal te mobiliseren met behulp van terahertz-straling - het deel van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en infrarood licht.

De onderzoekers schenen laserpulsen in een kristal van de halfgeleider galliumselenide. Deze pulsen waren erg kort, minder dan 100 femtoseconden, of 100 quadriljoenste van een seconde. Elke puls bracht elektronen in de halfgeleider naar een hoger energieniveau - wat betekende dat ze vrij konden bewegen - en droeg ze verder. De verschillende oriëntaties van het halfgeleiderkristal ten opzichte van de pulsen betekenden dat elektronen in verschillende richtingen door het kristal bewogen, bijvoorbeeld, ze kunnen langs atomaire bindingen lopen of ertussenin.

"De verschillende energielandschappen kunnen worden gezien als een vlakke en rechte straat voor elektronen in één kristalrichting, maar voor anderen, het lijkt misschien meer op een hellend vlak aan de zijkant, " zei Fabian Langer, een doctoraalstudent natuurkunde in Regensburg. "Dit betekent dat de elektronen niet langer in de richting van het laserveld bewegen, maar hun eigen beweging uitvoeren die wordt bepaald door de microscopische omgeving."

Toen de elektronen licht uitstraalden toen ze van het hogere energieniveau naar beneden kwamen, hun verschillende reizen werden weerspiegeld in de pulsen. Ze zenden veel kortere pulsen uit dan de elektromagnetische straling die naar binnen gaat. Deze lichtflitsen waren slechts enkele femtoseconden lang.

In een kristal, ze zijn snel genoeg om snapshots te maken van andere elektronen terwijl ze tussen de atomen bewegen, en ze kunnen ook worden gebruikt om informatie naar elektronen te lezen en te schrijven. Daarom, onderzoekers zouden deze pulsen moeten kunnen beheersen - en het kristal biedt een reeks hulpmiddelen.

"Er zijn snelle oscillaties zoals vingers in een puls. We kunnen de positie van de vingers heel gemakkelijk veranderen door het kristal te draaien, " zei Kira, wiens groep werkte met onderzoekers van de Universiteit van Marburg, Duitsland, om het experiment van Huber te interpreteren.

Het kristal kan de uitgaande lichtgolven ook verdraaien of niet, afhankelijk van de oriëntatie op de inkomende laserpulsen.

Omdat femtoseconde-pulsen snel genoeg zijn om een ​​elektron te onderscheppen tussen het in een aangeslagen toestand brengen en het naar beneden komen uit die toestand, ze kunnen mogelijk worden gebruikt voor kwantumberekeningen met elektronen in aangeslagen toestanden als qubits.

"Bijvoorbeeld, hier slaagden we erin om tegelijkertijd één elektron te lanceren via twee excitatieroutes, wat klassiek niet mogelijk is. Dat is de kwantumwereld. In de kwantumwereld er gebeuren rare dingen, ' zei Kyra.

Een elektron is klein genoeg om zich zowel als een golf als een deeltje te gedragen - en wanneer het zich in een aangeslagen toestand bevindt, zijn golflengte verandert. Omdat het elektron in twee aangeslagen toestanden tegelijk was, die twee golven interfereerden met elkaar en lieten een vingerafdruk achter in de femtoseconde puls die het elektron uitzond.

"Dit echte kwantumeffect kon worden gezien in de femtoseconde-pulsen als nieuw, regelbaar, oscillatie frequenties en richtingen, " zei Kira. "Dit is natuurlijk fundamentele natuurkunde. Met dezelfde ideeën zou je chemische reacties kunnen optimaliseren. Je krijgt misschien nieuwe manieren om informatie op te slaan of veilig te verzenden via kwantumcryptografie."

Huber is vooral geïnteresseerd in stroboscopische slow motion-camera's om enkele van de snelste processen in de natuur te onthullen, zoals elektronen die binnen atomen bewegen.

"Onze kristallijne vaste stoffen zorgen voor fantastische lichtbronnen op dit gebied - met ongekende mogelijkheden voor pulsvorming, " hij zei.

Een paper over het werk, getiteld "Symmetrie-gecontroleerde temporele structuur van hoogharmonische dragervelden van een bulkkristal, " wordt gepubliceerd in Natuurfotonica . Het onderzoek wordt gefinancierd door de European Research Council en de German Research Foundation.