Hoe snel kan elektronica zijn? Als computerchips met steeds kortere signalen en tijdsintervallen werken, lopen ze op een gegeven moment tegen fysieke grenzen aan. De kwantummechanische processen die de opwekking van elektrische stroom in een halfgeleidermateriaal mogelijk maken, nemen een bepaalde tijd in beslag. Dit stelt een grens aan de snelheid van signaalopwekking en signaaloverdracht.

TU Wien (Wenen), TU Graz en het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching hebben nu deze limieten kunnen verkennen:de snelheid kan zeker niet hoger worden dan één petahertz (één miljoen gigahertz), zelfs als het materiaal wordt geëxciteerd in een optimale manier met laserpulsen. Dit resultaat is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications .

Velden en stromingen

Elektrische stroom en licht (d.w.z. elektromagnetische velden) zijn altijd met elkaar verbonden. Dit is ook het geval bij micro-elektronica:in microchips wordt elektriciteit aangestuurd met behulp van elektromagnetische velden. Er kan bijvoorbeeld een elektrisch veld op een transistor worden aangelegd en afhankelijk van of het veld is in- of uitgeschakeld, laat de transistor elektrische stroom vloeien of blokkeert deze. Op deze manier wordt een elektromagnetisch veld omgezet in een elektrisch signaal.

Om de grenzen van deze omzetting van elektromagnetische velden in stroom te testen, worden laserpulsen - de snelste en meest nauwkeurige elektromagnetische velden die beschikbaar zijn - gebruikt in plaats van transistors.

"Er worden materialen bestudeerd die aanvankelijk helemaal geen elektriciteit geleiden", legt prof. Joachim Burgdörfer van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien uit. “Die worden geraakt door een ultrakorte laserpuls met een golflengte in het extreme UV-bereik. Deze laserpuls verschuift de elektronen naar een hoger energieniveau, waardoor ze zich ineens vrij kunnen bewegen. Zo verandert de laserpuls het materiaal in een elektrische geleider voor een korte tijd." Zodra er zich vrij bewegende ladingsdragers in het materiaal bevinden, kunnen deze door een tweede, iets langere laserpuls, in een bepaalde richting worden bewogen. Hierdoor ontstaat een elektrische stroom die vervolgens kan worden gedetecteerd met elektroden aan beide zijden van het materiaal.

Deze processen verlopen razendsnel, op een tijdschaal van atto- of femtoseconden. "Lange tijd werden dergelijke processen als onmiddellijk beschouwd", zegt prof. Christoph Lemell (TU Wien). "Tegenwoordig hebben we echter de nodige technologie om de tijdsevolutie van deze ultrasnelle processen in detail te bestuderen." De cruciale vraag is:hoe snel reageert het materiaal op de laser? Hoe lang duurt de signaalopwekking en hoe lang moet men wachten tot het materiaal aan het volgende signaal kan worden blootgesteld? De experimenten werden uitgevoerd in Garching en Graz, het theoretische werk en complexe computersimulaties werden gedaan aan de TU Wien.

Tijd of energie, maar niet allebei

Het experiment leidt tot een klassiek onzekerheidsdilemma, zoals dat vaak voorkomt in de kwantumfysica:om de snelheid te verhogen zijn extreem korte UV-laserpulsen nodig, waardoor heel snel vrije ladingsdragers ontstaan. Het gebruik van extreem korte pulsen impliceert echter dat de hoeveelheid energie die wordt overgedragen aan de elektronen niet precies gedefinieerd is. De elektronen kunnen heel verschillende energieën opnemen. "We kunnen precies vertellen op welk moment de gratis ladingsdragers worden gemaakt, maar niet in welke energietoestand ze zich bevinden", zegt Christoph Lemell. "Vaste stoffen hebben verschillende energiebanden en met korte laserpulsen worden velen van hen onvermijdelijk tegelijkertijd bevolkt door gratis ladingsdragers."

Afhankelijk van hoeveel energie ze dragen, reageren de elektronen heel anders op het elektrische veld. Als hun exacte energie niet bekend is, is het niet langer mogelijk om ze nauwkeurig te regelen en wordt het geproduceerde stroomsignaal vervormd, vooral bij hoge laserintensiteiten.

"Het blijkt dat ongeveer één petahertz een bovengrens is voor gecontroleerde opto-elektronische processen", zegt Joachim Burgdörfer. Dit betekent natuurlijk niet dat het mogelijk is om computerchips te maken met een klokfrequentie van net onder één petahertz. Realistische technische bovengrenzen zijn hoogstwaarschijnlijk aanzienlijk lager. Hoewel de natuurwetten die de ultieme snelheidslimieten van opto-elektronica bepalen niet te slim af zijn, kunnen ze nu worden geanalyseerd en begrepen met geavanceerde nieuwe methoden. + Verder verkennen

Hoe maak je een foto van een lichtpuls