Los pulsos de luz "femtosegundos" extremadamente cortos y configurables demostrados por un equipo internacional podrían conducir a futuras computadoras que funcionen hasta 100,000 veces más rápido que la electrónica actual.
Los investigadores, incluidos los ingenieros de la Universidad de Michigan, demostraron que podían controlar los picos dentro de los pulsos láser y también girar la luz.
El método mueve electrones más rápido y más eficientemente que las corrientes eléctricas, y con efectos confiables en sus estados cuánticos. Es un paso hacia la llamada "electrónica de ondas de luz" y, en un futuro más lejano, la computación cuántica, dijo Mackillo Kira, Profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM que participó en la investigación.
Los electrones que se mueven a través de un semiconductor en una computadora, por ejemplo, ocasionalmente se topan con otros electrones, liberando energía en forma de calor. Pero un concepto llamado electrónica de ondas de luz propone que los electrones podrían ser guiados por pulsos láser ultrarrápidos. Mientras que a alta velocidad en unel automóvil hace que sea más probable que un conductor se estrelle contra algo, la alta velocidad de un electrón puede hacer que el tiempo de viaje sea tan corto que estadísticamente es poco probable que golpee algo.
"En los últimos años, nosotros y otros grupos hemos descubierto que el campo eléctrico oscilante de los pulsos láser ultracortos en realidad puede mover electrones de un lado a otro en los sólidos", dijo Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Ratisbona, quien dirigió elexperimento "Todos se entusiasmaron de inmediato porque uno podría explotar este principio para construir computadoras futuras que funcionen a velocidades de reloj sin precedentes, de 10 a cien mil veces más rápido que la electrónica de última generación".
Pero primero, los investigadores necesitan poder controlar los electrones en un semiconductor. Este trabajo da un paso hacia esta capacidad al movilizar grupos de electrones dentro de un cristal semiconductor utilizando radiación de terahercios, la parte del espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja.
Los investigadores pusieron pulsos de láser en un cristal del semiconductor de seleniuro de galio. Estos pulsos eran muy cortos a menos de 100 femtosegundos, o 100 cuadrillonésimas de segundo. Cada pulso introdujo electrones en el semiconductor en un nivel de energía más alto, lo que significabaque eran libres de moverse, y los transportaban hacia adelante. Las diferentes orientaciones del cristal semiconductor con respecto a los pulsos significaban que los electrones se movían en diferentes direcciones a través del cristal, por ejemplo, podían correr a lo largo de enlaces atómicos o en el medioellos.
"Los diferentes paisajes energéticos pueden verse como una calle plana y recta para electrones en una dirección de cristal, pero para otros, puede parecer más un plano inclinado hacia un lado", dijo Fabian Langer, un estudiante de doctorado en física enRatisbona: "Esto significa que los electrones ya no pueden moverse en la dirección del campo láser, sino que realizan su propio movimiento dictado por el entorno microscópico".
Cuando los electrones emitían luz a medida que bajaban del nivel de energía más alto, sus diferentes viajes se reflejaban en los pulsos. Emitían pulsos mucho más cortos que la radiación electromagnética que entraba. Estas ráfagas de luz duraban solo unos pocos femtosegundos.
Dentro de un cristal, son lo suficientemente rápidos como para tomar instantáneas de otros electrones a medida que se mueven entre los átomos, y también podrían usarse para leer y escribir información en los electrones. Para eso, los investigadores necesitarían poder controlar estos pulsos- y el cristal proporciona una variedad de herramientas.
"Hay oscilaciones rápidas como dedos dentro de un pulso. Podemos mover la posición de los dedos muy fácilmente girando el cristal", dijo Kira, cuyo grupo trabajó con investigadores de la Universidad de Marburg, Alemania, para interpretar el experimento de Huber.
El cristal también podría torcer las ondas de luz salientes o no, dependiendo de su orientación a los pulsos láser entrantes.
Debido a que los pulsos de femtosegundos son lo suficientemente rápidos como para interceptar un electrón entre ser puesto en un estado excitado y descender de ese estado, potencialmente pueden usarse para cálculos cuánticos usando electrones en estados excitados como qubits.
"Por ejemplo, aquí logramos lanzar un electrón simultáneamente a través de dos vías de excitación, lo que no es clásicamente posible. Ese es el mundo cuántico. En el mundo cuántico, suceden cosas extrañas", dijo Kira.
Un electrón es lo suficientemente pequeño como para comportarse como una onda y como una partícula, y cuando está en un estado excitado, su longitud de onda cambia. Debido a que el electrón estaba en dos estados excitados a la vez, esas dos ondas interferían con unaotro y dejó una huella digital en el pulso de femtosegundos que emitió el electrón.
"Este efecto cuántico genuino podría verse en los pulsos de femtosegundos como nuevas frecuencias y direcciones de oscilación controlables", dijo Kira. "Esto es, por supuesto, física fundamental. Con las mismas ideas podría optimizar las reacciones químicas. Podría obtener nuevasformas de almacenar información o transmitir información de forma segura a través de la criptografía cuántica "
Huber está particularmente interesado en las cámaras estroboscópicas de cámara lenta para revelar algunos de los procesos más rápidos de la naturaleza, como los electrones que se mueven dentro de los átomos.
"Nuestros sólidos cristalinos crean fantásticas fuentes de luz en este campo, con posibilidades sin precedentes para la formación de pulso", dijo.
Se publicará en un documento sobre el trabajo, titulado "Estructura temporal controlada por simetría de los campos portadores de alta armonía de un cristal a granel" Fotónica de la naturaleza . La investigación está financiada por el Consejo Europeo de Investigación y la Fundación Alemana de Investigación.
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Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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