La electrónica de semiconductores se está volviendo cada vez más rápida, pero en algún momento, la física ya no permite ningún aumento. La velocidad definitivamente no se puede aumentar más allá de un petahercio un millón de gigahercios, incluso si el material se excita de manera óptima conpulsos de láser.
¿Qué tan rápido puede ser la electrónica? Cuando los chips de computadora funcionan con señales e intervalos de tiempo cada vez más cortos, en algún momento se topan con límites físicos. Los procesos de mecánica cuántica que permiten la generación de corriente eléctrica en un material semiconductor toman una cierta cantidadde tiempo Esto pone un límite a la velocidad de generación de señal y transmisión de señal.
TU Wien Viena, TU Graz y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ahora han podido explorar estos límites: la velocidad definitivamente no se puede aumentar más allá de un petahercio un millón de gigahercios, incluso si el material esexcitado de forma óptima con pulsos de láser.Este resultado ha sido publicado ahora en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza.
Campos y corrientes
La corriente eléctrica y la luz es decir, los campos electromagnéticos siempre están interrelacionadas. Este también es el caso de la microelectrónica: en los microchips, la electricidad se controla con la ayuda de campos electromagnéticos. Por ejemplo, se puede aplicar un campo eléctrico a un transistor ydependiendo de si el campo está encendido o apagado, el transistor permite que fluya la corriente eléctrica o la bloquea. De esta manera, un campo electromagnético se convierte en una señal eléctrica.
Para probar los límites de esta conversión de campos electromagnéticos a corriente, se utilizan pulsos láser, los campos electromagnéticos más rápidos y precisos disponibles, en lugar de transistores.
"Se estudian materiales que inicialmente no conducen electricidad en absoluto", explica el profesor Joachim Burgdörfer del Instituto de Física Teórica de TU Wien. "Estos son alcanzados por un pulso láser ultracorto con una longitud de onda en el rango ultravioleta extremo"Este pulso láser cambia los electrones a un nivel de energía más alto, de modo que puedan moverse libremente de repente. De esa manera, el pulso láser convierte el material en un conductor eléctrico por un corto período de tiempo".portadores en el material, se pueden mover en una dirección determinada mediante un segundo pulso de láser un poco más largo. Esto crea una corriente eléctrica que luego se puede detectar con electrodos en ambos lados del material.
Estos procesos ocurren extremadamente rápido, en una escala de tiempo de atto o femtosegundos. "Durante mucho tiempo, estos procesos se consideraron instantáneos", dice el profesor Christoph Lemell TU Wien. "Hoy, sin embargo, tenemos la necesariatecnología para estudiar la evolución temporal de estos procesos ultrarrápidos en detalle". La pregunta crucial es: ¿Qué tan rápido reacciona el material al láser? ¿Cuánto tiempo toma la generación de la señal y cuánto tiempo hay que esperar hasta que el material pueda ser expuesto?a la siguiente señal? Los experimentos se llevaron a cabo en Garching y Graz, el trabajo teórico y las complejas simulaciones por computadora se realizaron en TU Wien.
Tiempo o energía, pero no ambos
El experimento conduce a un dilema de incertidumbre clásico, como ocurre a menudo en la física cuántica: para aumentar la velocidad, se necesitan pulsos de láser ultravioleta extremadamente cortos, por lo que los portadores de carga libres se crean muy rápidamente. Sin embargo, al usar pulsos extremadamente cortosimplica que la cantidad de energía que se transfiere a los electrones no está definida con precisión. Los electrones pueden absorber energías muy diferentes. "Podemos decir exactamente en qué momento se crean los portadores de carga libre, pero no en qué estado de energía se encuentran".", dice Christoph Lemell. "Los sólidos tienen diferentes bandas de energía, y con pulsos de láser cortos, muchos de ellos están inevitablemente poblados por portadores de carga gratuitos al mismo tiempo".
Según la cantidad de energía que transportan, los electrones reaccionan de manera bastante diferente al campo eléctrico. Si se desconoce su energía exacta, ya no es posible controlarlos con precisión y la señal de corriente que se produce se distorsiona, especialmente enaltas intensidades de láser.
"Resulta que alrededor de un petahercio es el límite superior para los procesos optoelectrónicos controlados", dice Joachim Burgdörfer. Por supuesto, esto no significa que sea posible producir chips de computadora con una frecuencia de reloj justo por debajo de un petahercio. Realistalos límites superiores técnicos probablemente sean considerablemente más bajos. Aunque las leyes de la naturaleza que determinan los límites máximos de velocidad de la optoelectrónica no se pueden burlar, ahora se pueden analizar y comprender con métodos nuevos y sofisticados.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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