Ученые рассчитали абсолютный предел квантовой скорости для электроники

Часто кажется, что электроника будет продолжать становиться быстрее вечно, но в какой-то момент законы физики вмешаются, чтобы положить этому конец. Теперь ученые рассчитали предельную скорость — точку, при которой квантовая механика не позволяет микрочипам становиться быстрее.

Хорошо известно, что ничто не движется быстрее света, и это верно для электроники — системы, которые используют свет для управления электричеством, известные как оптоэлектроника, являются самыми быстрыми устройствами. В новом исследовании ученые из TU Wien, TU Graz и Института квантовой оптики имени Макса Планка определили верхний предел того, насколько быстрой может стать оптоэлектроника.

Команда провела эксперименты с использованием полупроводниковых материалов и лазеров.

На полупроводник воздействует ультракороткий лазерный импульс, который переводит электроны в материале в более высокое энергетическое состояние, позволяя им свободно перемещаться.

Затем второй, немного более длинный лазерный импульс отправляет их в определенное направление, создавая электрический ток.

Используя эту технику, а также сложное компьютерное моделирование, ученые исследовали полупроводники с помощью все более и более коротких лазерных импульсов.

Но в какой-то момент процесс начинает наталкиваться на принцип неопределенности Гейзенберга — это странная квантовая особенность, когда чем точнее вы измеряете одну характеристику частицы, тем меньше вы можете быть уверены в другой.

В этом случае использование более коротких лазерных импульсов означает, что наблюдатели могут точно сказать, когда электроны набирают энергию, но это происходит за счет меньшей уверенности в количестве энергии, которую они получают.

И это серьезная проблема для электронных устройств, потому что незнание точных энергий электронов означает, что ими нельзя точно управлять.

Исходя из этого, ученые вычислили абсолютный верхний предел скорости оптоэлектронных систем — один петагерц, что равно миллиону гигагерц. Это жесткий предел, который нельзя обойти, потому что барьер встроен в сами законы квантовой физики.

Однако конечно маловероятным, что нам когда-либо действительно придется беспокоиться об этом напрямую.

Ученые говорят, что другие технологические препятствия возникнут задолго до того, как оптоэлектронные устройства достигнут предела в один петагерц.

Но понимание жестких ограничений может помочь в разработке более совершенной электроники.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.