Een langdurige zoektocht naar wetenschap en technologie is geweest om elektronica en informatieverwerking te ontwikkelen die werken in de buurt van de snelste tijdschalen die door de natuurwetten zijn toegestaan.

Een veelbelovende manier om dit doel te bereiken, is het gebruik van laserlicht om de beweging van elektronen in materie te sturen, en vervolgens deze besturing te gebruiken om elektronische circuitelementen te ontwikkelen - een concept dat bekend staat als lichtgolfelektronica.

Opmerkelijk is dat lasers ons momenteel in staat stellen om uitbarstingen van elektriciteit te genereren op femtoseconde tijdschalen - dat wil zeggen in een miljoenste van een miljardste van een seconde. Toch is ons vermogen om informatie in deze ultrasnelle tijdschalen te verwerken ongrijpbaar gebleven.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Rochester en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) een beslissende stap in deze richting gezet door een logische poort aan te tonen - de bouwsteen van berekening en informatieverwerking - die werkt op femtoseconde tijdschalen. De prestatie, gerapporteerd in het tijdschrift Nature , werd bereikt door voor het eerst de echte en virtuele ladingsdragers die deze ultrasnelle uitbarstingen van elektriciteit vormen, te benutten en onafhankelijk te besturen.

De vorderingen van de onderzoekers hebben de deur geopend naar informatieverwerking op de petahertz-limiet, waarbij één quadriljoen computerbewerkingen per seconde kunnen worden verwerkt. Dat is bijna een miljoen keer sneller dan de huidige computers die werken met gigahertz-kloksnelheden, waarbij 1 petahertz 1 miljoen gigahertz is.

"Dit is een goed voorbeeld van hoe fundamentele wetenschap tot nieuwe technologieën kan leiden", zegt Ignacio Franco, universitair hoofddocent scheikunde en natuurkunde aan Rochester, die in samenwerking met promovendus Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , voerde de theoretische studies uit die tot deze ontdekking hebben geleid.

Lasers genereren ultrasnelle uitbarstingen van elektriciteit

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers geleerd hoe ze laserpulsen die enkele femtoseconden duren kunnen benutten om ultrasnelle uitbarstingen van elektrische stroom te genereren. Dit wordt bijvoorbeeld gedaan door kleine op grafeen gebaseerde draden te verlichten die twee gouden metalen verbinden. De ultrakorte laserpuls zet de elektronen in grafeen in beweging, of 'prikkelt', en, belangrijker nog, stuurt ze in een bepaalde richting, en genereert zo een netto elektrische stroom.

Laserpulsen kunnen veel sneller elektriciteit produceren dan welke traditionele methode dan ook, en dat bij afwezigheid van aangelegde spanning. Verder kunnen de richting en grootte van de stroom eenvoudig worden geregeld door de vorm van de laserpuls te variëren (dat wil zeggen, door de fase ervan te veranderen).

De doorbraak:gebruik maken van echte en virtuele ladingdragers

De onderzoeksgroepen van Franco en van FAU's Peter Hommelhoff werken al enkele jaren om lichtgolven om te zetten in ultrasnelle stroompulsen.

Bij het proberen om de experimentele metingen in Erlangen te verzoenen met computersimulaties in Rochester, realiseerde het team zich:in goud-grafeen-goud-overgangen is het mogelijk om twee smaken - "echt" en "virtueel" - te genereren van de deeltjes die de ladingen waaruit deze uitbarstingen van elektriciteit bestaan.

• 'Echte' ladingsdragers zijn elektronen die worden opgewekt door licht en die in gerichte beweging blijven, zelfs nadat de laserpuls is uitgeschakeld.
• 'Virtuele' ladingsdragers zijn elektronen die alleen in een netto gerichte beweging worden gezet terwijl de laserpuls is ingeschakeld. Als zodanig zijn het ongrijpbare soorten die slechts tijdelijk leven tijdens verlichting.

Omdat het grafeen is verbonden met goud, worden zowel echte als virtuele ladingsdragers door het metaal geabsorbeerd om een ​​netto stroom te produceren.

Opvallend was dat het team ontdekte dat ze door de vorm van de laserpuls te veranderen, stromen konden genereren waarbij alleen de echte of de virtuele ladingsdragers een rol spelen. Met andere woorden, ze genereerden niet alleen twee soorten stromen, maar ze leerden ze ook onafhankelijk te besturen, een bevinding die de ontwerpelementen in lichtgolfelektronica drastisch vergroot.

Logische poorten door lasers

Met behulp van dit verbeterde controlelandschap kon het team voor het eerst experimenteel aantonen dat logische poorten werken op een femtoseconde tijdschaal.

Logische poorten zijn de basisbouwstenen die nodig zijn voor berekeningen. Ze bepalen hoe binnenkomende informatie, in de vorm van 0 of 1 (ook wel bits genoemd), wordt verwerkt. Logische poorten hebben twee ingangssignalen nodig en leveren een logische uitgang op.

In het experiment van de onderzoekers zijn de ingangssignalen de vorm of fase van twee gesynchroniseerde laserpulsen, elk gekozen om alleen een burst van echte of virtuele ladingsdragers te genereren. Afhankelijk van de gebruikte laserfasen, kunnen deze twee bijdragen aan de stromen optellen of opheffen. Aan het netto elektrische signaal kan logische informatie 0 of 1 worden toegewezen, wat een ultrasnelle logische poort oplevert.

"Het zal waarschijnlijk nog heel lang duren voordat deze techniek in een computerchip kan worden gebruikt, maar we weten nu tenminste dat lichtgolfelektronica praktisch mogelijk is", zegt Tobias Boolakee, die de experimentele inspanningen leidde als een Ph.D. student aan FAU.

"Onze resultaten effenen de weg naar ultrasnelle elektronica en informatieverwerking", zegt Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), nu een postdoctoraal onderzoeker aan de McGill University.

"Het verbazingwekkende aan deze logische poort", zegt Franco, "is dat de bewerkingen niet in gigahertz worden uitgevoerd, zoals in gewone computers, maar in petahertz, die een miljoen keer sneller is. Dit komt door de echt korte laserpulsen die worden gebruikt die zich voordoen in een miljoenste van een miljardste van een seconde."

Van basisprincipes tot toepassingen

Deze nieuwe, potentieel transformatieve technologie is ontstaan ​​uit fundamentele studies over hoe lading kan worden aangedreven in nanoschaalsystemen met lasers.

"Door de fundamentele theorie en het verband met de experimenten hebben we de rol van virtuele en echte ladingsdragers in laser-geïnduceerde stromen verduidelijkt, en dat opende de weg naar de creatie van ultrasnelle logische poorten", zegt Franco.

De studie vertegenwoordigt meer dan 15 jaar onderzoek door Franco. In 2007, als Ph.D. student aan de Universiteit van Toronto, bedacht hij een methode om ultrasnelle elektrische stromen te genereren in moleculaire draden die worden blootgesteld aan femtoseconde laserpulsen. Dit eerste voorstel werd later experimenteel geïmplementeerd in 2013 en het gedetailleerde mechanisme achter de experimenten werd uitgelegd door de Franco-groep in een onderzoek uit 2018. Sindsdien is er wat Franco noemt "explosieve" experimentele en theoretische groei op dit gebied.

"Dit is een gebied waar theorie en experimenten elkaar uitdagen en zo nieuwe fundamentele ontdekkingen en veelbelovende technologieën onthullen", zegt hij. + Verder verkennen

Kwantumfysica stelt snelheidslimiet voor elektronica