Электроника со скоростью света

Европейская группа исследователей нашла способ транспортировать электроны в моменты времени ниже фемтосекундного диапазона, манипулируя ими с помощью света. Это может иметь серьезные последствия для будущего обработки данных и вычислений.

Современные электронные компоненты, которые традиционно основаны на кремниевой полупроводниковой технологии, могут быть включены или выключены в течение пикосекунд (т. е. 10^-12 секунд).

Стандартные мобильные телефоны и компьютеры работают на максимальных частотах нескольких гигагерц (1 ГГц = 10⁹ Гц), в то время как отдельные транзисторы могут приближаться к одному терагерцу (1 ТГц = 10¹² Гц).

Дальнейшее увеличение скорости, с которой электронные коммутационные устройства могут быть открыты или закрыты с использованием стандартной технологии, с тех пор оказалось сложной задачей. Недавняя серия экспериментов, проведенных в Университете Констанца и опубликованных в недавней публикации в журнале Nature Physics, показывает, что электроны можно заставить двигаться со скоростью меньше фемтосекунды, т. е. быстрее, чем 10^-15 секунд, манипулируя ими с помощью специально подобранных световых волн.

«Это вполне может быть будущим электроники», — говорит Альфред Лейтенсторфер, профессор из Университета Констанца (Германия) и соавтор исследования. «Наши эксперименты с одноцикловыми световыми импульсами вывели нас далеко за пределы аттосекундного диапазона переноса электронов.»

Свет колеблется на частотах, по меньшей мере в тысячу раз превышающих те, которые достигаются чисто электронными схемами: одна фемтосекунда соответствует 10^-15 секундам, что составляет миллионную долю миллиардной доли секунды.

Лейтенсторфер и его команда из Физического факультета и Центра прикладной фотоники (ЦАП) Университета Констанца считают, что будущее электроники заключается в интегрированных плазмонных и оптоэлектронных устройствах, работающих в одноэлектронном режиме на оптических, а не на микроволновых частотах. «Однако это очень фундаментальное исследование, о котором мы здесь говорим, и на его реализацию могут уйти десятилетия», — предупреждает он.

Сверхбыстрый электронный переключатель

Экспериментальная установка, разработанная учеными, включала наноразмерные золотые антенны, а также сверхбыстрый лазер, способный излучать сто миллионов одноцикловых световых импульсов в секунду для генерации измеряемого тока.

Конструкция оптической антенны в виде бабочки учитывала субволновую и субциклическую пространственно-временную концентрацию электрического поля лазерного импульса в зазоре шириной шесть нм (1 нм = 10^-9 метров).

В результате весьма нелинейного характера туннелирования электронов из металла и ускорения в зазоре в оптическом поле исследователи смогли переключать электронные токи со скоростью примерно 600 аттосекунд (т.е. менее одной фемтосекунды, 1 при = 10^-18 секунд).

Этот процесс происходит только во временных масштабах, составляющих менее половины периода колебаний электрического поля светового импульса.

Исследование открывает совершенно новые возможности для понимания того, как свет взаимодействует с конденсированной средой, позволяя наблюдать квантовые явления в беспрецедентных временных и пространственных масштабах.

Опираясь на новый подход к динамике электронов, управляемый на наноразмерном уровне оптическими полями, который дает это исследование, ученые перейдут к исследованию переноса электронов в атомном масштабе времени и длины в еще более сложных твердотельных устройствах с пикометрическими размерами.

Sub-femtosecond electron transport in a nanoscale gap, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0745-8 , https://nature.com/articles/s41567-019-0745-8