Een Europees team van onderzoekers, waaronder natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz, heeft een manier gevonden om elektronen soms onder het femtosecondebereik te transporteren door ze met licht te manipuleren. Dit kan grote gevolgen hebben voor de toekomst van dataverwerking en computing.

hedendaagse elektronische componenten, die traditioneel gebaseerd zijn op siliciumhalfgeleidertechnologie, kan binnen picoseconden (d.w.z. 10 ^-12 seconden). Standaard mobiele telefoons en computers werken op maximale frequenties van enkele gigahertz (1 GHz =10 ⁹ Hz) terwijl individuele transistors één terahertz kunnen benaderen (1 THz =10 ¹² Hz). Het verder verhogen van de snelheid waarmee elektronische schakelapparaten met de standaardtechnologie kunnen worden geopend of gesloten, is sindsdien een uitdaging gebleken. Een recente reeks experimenten, uitgevoerd aan de Universiteit van Konstanz en gerapporteerd in een recente publicatie in Natuurfysica — laat zien dat elektronen kunnen worden geïnduceerd om te bewegen met snelheden van sub-femtoseconde, d.w.z. sneller dan 10 ^-15 seconden, door ze te manipuleren met op maat gemaakte lichtgolven.

"Dit is misschien wel de verre toekomst van elektronica, " zegt Alfred Leitenstorfer, Hoogleraar ultrasnelle fenomenen en fotonica aan de Universiteit van Konstanz (Duitsland) en co-auteur van de studie. "Onze experimenten met lichtpulsen met een enkele cyclus hebben ons ver in het attoseconde bereik van elektronentransport gebracht." Licht oscilleert met frequenties die minstens duizend keer hoger zijn dan die worden bereikt door puur elektronische circuits:één femtoseconde komt overeen met 10 ^-15 seconden, dat is het miljoenste deel van een miljardste van een seconde. Leitenstorfer en zijn team van de afdeling Natuurkunde en het Centrum voor Toegepaste Fotonica (CAP) aan de Universiteit van Konstanz zijn van mening dat de toekomst van elektronica ligt in geïntegreerde plasmonische en opto-elektronische apparaten die werken in het regime van één elektron bij optische in plaats van microgolf —frequenties. "Echter, dit is zeer fundamenteel onderzoek waar we het hier over hebben en het kan tientallen jaren duren om te implementeren, ’ waarschuwt hij.

Een kwestie van controle over licht en materie

De uitdaging voor het internationale team van theoretische en experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz, de Universiteit van Luxemburg, CNRS-Université Paris Sud (Frankrijk) en het Centre for Materials Physics (CFM-CSIC) en Donostia International Physics Centre (DIPC) in San Sebastián (Spanje) die aan dit project samenwerkten, moesten een experimentele opstelling ontwikkelen voor het manipuleren van ultrakort licht pulsen op femtoseconde schalen onder een enkele oscillatiecyclus enerzijds, en anderzijds om nanostructuren te creëren die geschikt zijn voor zeer nauwkeurige metingen en manipulatie van elektronische ladingen. "Gelukkig voor ons, we hebben eersteklas faciliteiten tot onze beschikking hier in Konstanz, " zegt Leitenstorfer, wiens team de experimenten uitvoerde. "Het Centrum voor Toegepaste Fotonica is een toonaangevende faciliteit voor de ontwikkeling van ultrasnelle lasertechnologie. En dankzij ons Collaborative Research Center 767 Controlled Nanosystems:Interaction and Interfacing to the Macroscale, we hebben toegang tot extreem goed gedefinieerde nanostructuren die op nanometerschaal kunnen worden gecreëerd en gecontroleerd."

Supersnelle elektronenschakelaar

De experimentele opstelling ontwikkeld door Leitenstorfers team en coördinerend auteur Daniele Brida (voorheen leider van een Emmy Noether-onderzoeksgroep aan de Universiteit van Konstanz, nu professor aan de Universiteit van Luxemburg) omvatte gouden antennes op nanoschaal en een ultrasnelle laser die honderd miljoen lichtpulsen met één cyclus per seconde kan uitzenden om een ​​meetbare stroom te genereren. Het vlinderdasontwerp van de optische antenne zorgde voor een subgolflengte en subcyclus spatio-temporele concentratie van het elektrische veld van de laserpuls in de opening van een breedte van zes nm (1 nm =10 ^-9 meter).

Als gevolg van het zeer niet-lineaire karakter van elektronentunneling uit het metaal en versnelling over de opening in het optische veld, de onderzoekers waren in staat om elektronische stromen te schakelen met snelheden van ongeveer 600 attoseconden (d.w.z. minder dan één femtoseconde, 1 als =10 ^-18 seconden). "Dit proces vindt alleen plaats op tijdschalen van minder dan een halve oscillatieperiode van het elektrische veld van de lichtpuls, " legt Leitenstorfer uit - een observatie die de projectpartners in Parijs en San Sebastián konden bevestigen en in detail in kaart konden brengen door middel van een tijdsafhankelijke behandeling van de elektronische kwantumstructuur gekoppeld aan het lichtveld.

De studie opent geheel nieuwe mogelijkheden om te begrijpen hoe licht interageert met gecondenseerde materie, het mogelijk maken van observatie van kwantumverschijnselen op ongekende temporele en ruimtelijke schalen. Voortbouwend op de nieuwe benadering van elektronendynamica die op nanoschaal wordt aangedreven door optische velden die deze studie biedt, de onderzoekers gaan verder met het onderzoeken van elektronentransport op atomaire tijd- en lengteschalen in nog geavanceerdere solid-state apparaten met picometer-afmetingen.