Elektronische systemen die lichtgolven gebruiken in plaats van spanningssignalen is voordelig, zoals elektromagnetische lichtgolven oscilleren op petaherz frequentie. Dit betekent dat toekomstige computers 1 miljoen keer sneller zouden kunnen werken dan de huidige. Wetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zijn er nu in geslaagd om ultrakorte laserimpulsen te gebruiken om elektronen in grafeen nauwkeurig te regelen.

De huidige besturing in de elektronica die 1 miljoen keer sneller is dan in de huidige systemen is voor velen een droom. Stroomregeling is verantwoordelijk voor data- en signaaloverdracht. Echter, tot nu, het was moeilijk om de stroom van elektronen in metalen te beheersen, zoals metalen lichtgolven weerkaatsen, die daarom de elektronen in de metalen geleider niet kunnen beïnvloeden.

Natuurkundigen van de FAU hebben zich daarom tot grafeen gewend, een halfmetaal dat uit slechts één enkele laag koolstof bestaat en zo dun is dat licht kan doordringen en elektronen in beweging kan zetten. In een eerdere studie, natuurkundigen van de leerstoel Laserfysica waren er al in geslaagd om met een zeer korte laserpuls een elektrisch signaal te genereren op een tijdschaal van slechts één femtoseconde. Dit komt overeen met een miljoenste van een miljardste van een seconde. In deze extreme tijdschalen, elektronen onthullen hun kwantumkarakter omdat ze zich als een golf gedragen. De golf van elektronen glijdt door het materiaal als het wordt aangedreven door de laserpuls.

In het huidige onderzoek gingen de onderzoekers nog een stap verder. Ze richtten een tweede laserpuls op deze door licht aangedreven golf. Door deze tweede puls kon de elektronengolf in twee dimensies door het materiaal gaan. De tweede laserpuls kan worden gebruikt om af te buigen, versnellen of zelfs de richting van de elektronengolf veranderen. Dit maakt de overdracht van informatie door deze golf mogelijk, afhankelijk van de exacte tijd, sterkte en richting van de tweede puls.

Volgens de onderzoekers is het is mogelijk om nog een stap verder te gaan. "Stel je voor dat de elektronengolf een golf in water is. Golven in water kunnen splijten vanwege een obstakel en convergeren en interfereren wanneer ze het obstakel zijn gepasseerd. Afhankelijk van hoe de subgolven ten opzichte van elkaar staan, ze versterken of heffen elkaar op. We kunnen de tweede laserpuls gebruiken om de afzonderlijke deelgolven gericht te wijzigen en zo hun interferentie te beheersen, " legt Christian Heide van de leerstoel Laserfysica uit. "Over het algemeen geldt het is erg moeilijk om kwantumverschijnselen te beheersen, zoals de golfkarakteristieken van elektronen in dit geval. Dit komt omdat het erg moeilijk is om de elektronengolf in een materiaal te houden, aangezien de elektronengolf verstrooit met andere elektronen en zijn golfkarakteristieken verliest. Experimenten op dit gebied worden typisch uitgevoerd bij extreem lage temperaturen. We kunnen deze experimenten nu bij kamertemperatuur uitvoeren, omdat we de elektronen kunnen sturen met laserpulsen met zulke hoge snelheden dat er geen tijd meer is voor de verstrooiingsprocessen met andere elektronen. Hierdoor kunnen we verschillende nieuwe fysieke processen onderzoeken die voorheen niet toegankelijk waren."

De wetenschappers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het realiseren van elektronische systemen die kunnen worden bestuurd met behulp van lichtgolven. In de komende jaren, ze gaan onderzoeken of elektronen in andere tweedimensionale materialen ook op dezelfde manier kunnen worden aangestuurd. "Misschien kunnen we met materiaalonderzoek de eigenschappen van materialen zodanig aanpassen dat het binnenkort mogelijk is om kleine transistoren te bouwen die door licht kunnen worden bestuurd, ' zegt Heide.