Оптоэлектронные системы развиваются всё стремительнее. Однако придёт момент, когда дальнейшее повышение скорости станет невозможным: законы квантовой механики устанавливают максимальную границу для их работы. Группа учёных из Технических университетов Вены и Граца, а также Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге установила этот предел: их исследование демонстрирует, что скорость этих компонентов не может превышать одного петагерца (PHz), или одной миллионной гигагерца.
Согласно специальной теории относительности, скорость света в вакууме – максимальная скорость для любой формы материи или информации во Вселенной. Оптоэлектронные системы, обнаруживающие и управляющие светом для производства электрического тока (и наоборот), являются самыми быстрыми устройствами на сегодняшний день. Фототранзисторы, фоторезисторы и светодиоды — примеры оптоэлектронных компонентов.
Технический прогресс позволяет микрочипам использовать всё более короткие сигналы и временные интервалы (несколько фемтосекунд или даже аттосекунд). Такая скорость не может быть бесконечной: квантово-механические процессы, позволяющие генерировать электрический ток в полупроводнике, занимают определенное время. Его невозможно сжать, даже если материал оптимально возбуждается лазерными импульсами. В итоге скорость генерации и передачи сигнала неизбежно ограничена.
Физический предел миниатюризации электроники — размер атома, изготовить чип меньшего размера невозможно. Электронные компоненты ограничены не только размером, но и производительностью: скорость передачи данных не может быть бесконечной. Это обусловлено скоростью обработки сигнала транзисторами, которые либо пропускают ток, либо блокируют его.
Учёные стремились определить этот предел. Для этого применяли ультракороткие лазерные импульсы для воздействия на диэлектрический материал. Диэлектрические материалы нуждаются в большем количестве энергии для возбуждения, чем полупроводники. Это позволяет использовать высокочастотный свет и обеспечивать более быструю передачу данных. Было выбрано вещество — фторид лития, которое имеет самый большой зазор между валентной и проводящей полосами среди известных материалов. Мы исследуем материалы, не являющиеся электропроводными с самого начала. — уточняет в заявлении для прессы профессор Иоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета.
Ультрафиолетовые лазерные импульсы заставляют электроны в материале переходить на более высокий энергетический уровень, переходя из валентной зоны в зону проводимости. В результате электроны получают свободу движения, и материал ненадолго становится электропроводным. Второй, чуть более длинный импульс направляет их в определенном направлении. Затем полученный электрический ток регистрируется с помощью электродов, расположенных по обе стороны материала.
Явление настолько быстрое (порядка 10-18 до 10-15Профессор Кристоф Лемелл из TU Wien отмечает, что то, что долгое время считалось мгновенным (секунд), теперь возможно разгадать поэтапно благодаря современным технологиям.
Эксперименты группы совместно с компьютерным моделированием привели к достижению максимальной точки. Полученные данные свидетельствуют о принципиальной границе возможностей классической обработки сигналов и открывают путь для разработки твердотельных оптико-электронных устройств с рабочей частотой до 1 ПГц. «, — резюмируют исследователи в журнале .
Для достижения результата материал бомбардировали все более короткими лазерными импульсами.
Большая скорость требует очень коротких ультрафиолетовых лазерных импульсов для быстрого создания свободных носителей заряда. Однако использование чрезвычайно коротких импульсов не позволяет точно определить количество энергии, передаваемой электронам. Можно определить момент появления носителей заряда, но неизвестно, в каком энергетическом состоянии — говорит Кристоф Лемелл, объясняя этот принцип. Это широко известный принцип неопределенности из физики.
Электроны поглощают различные энергии и по-разному реагируют в электрическом поле в зависимости от носящейся ими энергии. Эта неопределенность представляет серьезную проблему для электронных устройств: отсутствие точного знания энергий электронов не позволяет управлять ими точно, что искажает создаваемый токовый сигнал.
Группа исследователей рассчитала максимальную управляемую скорость оптоэлектронных систем – около одного петагерца (10¹⁵ герц). Это примерно в 100 000 раз быстрее, чем скорость современных транзисторов. Несмотря на то, что этот предел установлен законами квантовой физики и достигнуть его практически невозможно, определение этого абсолютного предела и изучение оптоэлектронных процессов с помощью сложных методов могут способствовать созданию более эффективных систем.