Het regelen van elektronische stroom is essentieel voor moderne elektronica, omdat gegevens en signalen worden overgedragen door elektronenstromen die met hoge snelheid worden bestuurd. Naarmate de technologie zich ontwikkelt, nemen ook de eisen aan transmissiesnelheden toe. Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zijn erin geslaagd om met een enkele laserpuls binnen een femtoseconde een stroom met een gewenste richting in grafeen in te schakelen - een femtoseconde komt overeen met het miljoenste deel van een miljardste van een seconde. Dit is meer dan duizend keer sneller dan de meest efficiënte transistors van vandaag.

Wetenschappers hebben al aangetoond dat het mogelijk is om elektronen te sturen met lichtgolven in gassen, isolatiematerialen en halfgeleiders. Dus, in principe, het is mogelijk om de stroom te regelen. Echter, dit concept is nog niet toegepast op metalen omdat licht gewoonlijk niet in het materiaal kan doordringen om de elektronen te regelen. Om dit effect te voorkomen, fysici in de werkgroepen van prof.dr. Peter Hommelhoff en prof. dr. Heiko Weber gebruikten grafeen, een halfmetaal dat uit slechts een enkele laag koolstofatomen bestaat. Hoewel grafeen een uitstekende geleider is, het is dun genoeg om wat licht door het materiaal te laten dringen en de elektronen te laten bewegen.

Voor hun experimenten, de wetenschappers vuurden extreem korte laserpulsen af ​​met speciaal ontworpen golfvormen op grafeen. Wanneer deze lichtgolven het grafeen raken, de elektronen binnen werden in één richting geslingerd, als een zweepslag. "Onder intense optische velden, er werd een stroom gegenereerd binnen een fractie van een optische cyclus - een halve femtoseconde. Het was verrassend dat ondanks deze enorme krachten, kwantummechanica speelt nog steeds een sleutelrol, " legt Dr. Takuya Higuchi van de leerstoel laserfysica uit, de eerste auteur van de publicatie.

De onderzoekers ontdekten dat het huidige generatieproces in het grafeen ingewikkelde kwantummechanica volgt. De elektronen reizen van hun oorspronkelijke toestand naar de aangeslagen toestand via twee paden in plaats van één - vergelijkbaar met een gevorkte weg die naar dezelfde bestemming leidt. Als een golf, de elektronen kunnen zich bij de splitsing splitsen en tegelijkertijd op beide wegen stromen. Afhankelijk van de relatieve fase tussen de gesplitste elektronengolven, als ze elkaar weer ontmoeten, de stroom kan erg groot zijn, of helemaal niet aanwezig. "Dit is als een watergolf. Stel je een golf voor die tegen een gebouwmuur breekt en tegelijkertijd naar links en rechts van het gebouw stroomt. Aan het einde van het gebouw, beide delen ontmoeten elkaar weer. Als de gedeeltelijke golven elkaar ontmoeten op hun hoogtepunt, een zeer grote golf resulteert en stroom vloeit. Als een golf op zijn hoogtepunt is, de andere op het laagste punt, de twee heffen elkaar op, en er is geen stroom, " zegt prof. dr. Peter Hommelhoff van de leerstoel Laserfysica. "Met de lichtgolven kunnen we regelen hoe de elektronen bewegen en hoeveel elektriciteit er wordt opgewekt."

De resultaten zijn weer een belangrijke stap in het verenigen van elektronica en optica. In de toekomst, de methode zou een deur kunnen openen voor het realiseren van ultrasnelle elektronica die werkt op optische frequenties.