Лазерные импульсы в электронике световых волн
Давние поиски науки и техники заключались в разработке электроники и обработки информации, которые работали бы в самых быстрых временных масштабах, допускаемых законами природы. Многообещающий способ достижения этой цели включает в себя использование лазерного света для управления движением электронов в веществе, а затем использование этого управления для разработки элементов электронной схемы — концепция, известная как электроника световых волн.
Синхронизированные лазерные импульсы (красный и синий) генерируют всплеск реальных и виртуальных носителей заряда в графене, которые поглощаются металлическим золотом, создавая результирующий ток. «Мы выяснили роль виртуальных и реальных носителей заряда в индуцированных лазером токах, и это открыло путь к созданию сверхбыстрых логических вентилей», — говорит Игнасио Франко, доцент кафедры химии и физики Рочестерского университета. Предоставлено: Иллюстрация Университета Рочестера / Michael Osadciw.
Примечательно, что в настоящее время лазеры позволяют нам генерировать всплески электричества в фемтосекундных масштабах, то есть за одну миллионную от миллиардной доли секунды. Тем не менее наша способность обрабатывать информацию в этих сверхбыстрых временных масштабах оставалась неуловимой.
Теперь исследователи из Университета Рочестера и Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) сделали решающий шаг в этом направлении, продемонстрировав логический вентиль — строительный блок вычислений и обработки информации, — который работает в фемтосекундных масштабах времени. Подвиг, о котором сообщается в журнале Nature , был совершен путем использования и независимого управления, в первый раз, реальными и виртуальными носителями заряда, которые составляют эти сверхбыстрые всплески электричества.
Достижения исследователей открыли путь к обработке информации на петагерцовом пределе, когда в секунду может выполняться один квадриллион вычислительных операций. Это почти в миллион раз быстрее, чем современные компьютеры, работающие с тактовой частотой гигагерц, где 1 петагерц равен 1 миллиону гигагерц.
«Это отличный пример того, как фундаментальная наука может привести к новым технологиям», — говорит Игнасио Франко, адъюнкт-профессор химии и физики в Рочестере, который в сотрудничестве с докторантом Антонио Хосе Гарсон-Рамиресом 21 года (доктор философии), выполнил теоретические исследования, которые привели к этому открытию.
Лазеры генерируют сверхбыстрые всплески электричества
В последние годы ученые научились использовать лазерные импульсы длительностью несколько фемтосекунд для генерации сверхбыстрых всплесков электрического тока. Это делается, например, путем освещения крошечных проводов на основе графена, соединяющих два золотых металла. Ультракороткий лазерный импульс приводит в движение или «возбуждает» электроны в графене и, что важно, направляет их в определенном направлении, таким образом генерируя чистый электрический ток.
Лазерные импульсы могут производить электричество намного быстрее, чем любой традиционный метод, и делают это без приложенного напряжения. Далее, направлением и величиной тока можно управлять, просто изменяя форму лазерного импульса (то есть изменяя его фазу).
Прорыв: использование реальных и виртуальных носителей заряда
Исследовательские группы Франко и Питера Хоммельхоффа из FAU уже несколько лет работают над превращением световых волн в сверхбыстрые импульсы тока.
Пытаясь согласовать экспериментальные измерения в Эрлангене с вычислительным моделированием в Рочестере, команда пришла к выводу: в соединениях золото-графен-золото можно генерировать два аромата — «реальный» и «виртуальный» — частиц, несущих заряды, из которых состоят эти всплески электричества.
- «Настоящие» носители заряда — это возбуждаемые светом электроны, которые остаются в направленном движении даже после выключения лазерного импульса.
- «Виртуальные» носители заряда — это электроны, которые совершают чисто направленное движение только во время действия лазерного импульса. Таким образом, они являются неуловимыми видами, которые временно живут только во время освещения.
Поскольку графен соединен с золотом, как реальные, так и виртуальные носители заряда поглощаются металлом, создавая чистый ток.
Поразительно, но команда обнаружила, что, изменяя форму лазерного импульса, они могут генерировать токи, в которых играют роль только реальные или виртуальные носители заряда. Другими словами, они не только генерировали два вида токов, но также научились управлять ими независимо друг от друга — открытие, которое радикально увеличивает элементы дизайна в световолновой электронике.
Логические вентили через лазеры
Используя этот расширенный ландшафт управления, команда впервые смогла экспериментально продемонстрировать логические вентили, работающие в фемтосекундной шкале времени.
Логические элементы являются основными строительными блоками, необходимыми для вычислений. Они контролируют, как обрабатывается входящая информация, которая принимает форму 0 или 1 (известных как биты). Логические вентили требуют двух входных сигналов и дают логический выход.
В эксперименте исследователей входные сигналы представляют собой форму или фазу двух синхронизированных лазерных импульсов, каждый из которых выбран только для генерации всплеска реальных или виртуальных носителей заряда. В зависимости от используемых фаз лазера эти два вклада в токи могут либо складываться, либо компенсироваться. Чистому электрическому сигналу может быть присвоена логическая информация 0 или 1, что дает сверхбыстрый логический элемент.
«Вероятно, пройдет очень много времени, прежде чем эту технику можно будет использовать в компьютерном чипе, но, по крайней мере, теперь мы знаем, что световолновая электроника практически возможна», — говорит Тобиас Булаки, который руководил экспериментальными работами в качестве доктора философии, студентка ФАУ.
«Наши результаты прокладывают путь к сверхбыстрой электронике и обработке информации», — говорит Гарсон-Рамирес 21 года (доктор философии), ныне научный сотрудник Университета Макгилла.
«Что удивительно в этом логическом вентиле, — говорит Франко, — так это то, что операции выполняются не в гигагерцах, как в обычных компьютерах, а в петагерцах, которые в миллион раз быстрее. Это из-за используемых очень коротких лазерных импульсов, которые происходят за одну миллионную от миллиардной доли секунды».
От основ к приложениям
Эта новая, потенциально преобразующая технология возникла в результате фундаментальных исследований того, как можно управлять зарядом в наносистемах с помощью лазеров.
«Благодаря фундаментальной теории и ее связи с экспериментами мы выяснили роль виртуальных и реальных носителей заряда в индуцированных лазером токах, и это открыло путь к созданию сверхбыстрых логических элементов», — говорит Франко.
Исследование представляет собой более 15 лет исследований Франко. В 2007 году в качестве кандидата наук, студент Университета Торонто, он разработал метод генерации сверхбыстрых электрических токов в молекулярных проводах, подвергаемых воздействию фемтосекундных лазерных импульсов. Это первоначальное предложение было позже реализовано экспериментально в 2013 году, а подробный механизм экспериментов был объяснен группой Франко в исследовании 2018 года. С тех пор в этой области произошло то, что Франко называет «взрывным» экспериментальным и теоретическим ростом.
«Это та область, где теория и эксперименты бросают вызов друг другу и тем самым открывают новые фундаментальные открытия и многообещающие технологии», — говорит он.
