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  • 光速般的电子,每秒发射1亿个脉冲激光,还能产生可测量的电流

    光速电子?包括康斯坦茨大学物理学家在内的一个欧洲研究小组已经找到了一种方法,通过用光操纵电子,有时可以在飞秒范围内传输电子,这可能会对未来数据处理和计算产生重大影响。传统上基于硅半导体技术的现代电子元件可以在皮秒(即10^-12秒)内打开或关闭。标准手机和计算机的最高工作频率为几千兆赫(1 GHz=10^9 Hz),而单个晶体管可以接近1太赫兹(1THz=10^12 Hz)。

    光速般的电子,每秒发射1亿个脉冲激光,还能产生可测量的电流

    此后,使用标准技术进一步提高电子开关设备的打开或关闭速度已被证明是一项挑战。现在在康斯坦茨大学进行的一系列实验表明,通过使用特定的光波操纵电子,可以诱导电子以亚飞秒的速度移动,即快于10^-15秒。研究的合著者/德国康斯坦茨大学的超快现象和光子学教授阿尔弗雷德·莱滕斯托弗说:这很可能是电子学遥远的未来,研究用单周期光脉冲进行的实验,将我们带入了电子传输的阿秒范围。

    光速般的电子,每秒发射1亿个脉冲激光,还能产生可测量的电流

    光的振荡频率至少比纯电子电路的频率高一千倍:一飞秒相当于10^-15秒。康斯坦茨大学物理系和应用光子学中心(CAP)的阿尔弗雷德·莱滕斯托弗(Alfred Leitenstorfer)和研究团队认为,电子学的未来在于集成等离子体和光电设备,这些设备在光学而不是微波频率下以单电子方式运行。然而,这是在研究中非常基础的研究,可能需要几十年的时间才能实施。

    关于控制光和物质的问题

    来自康斯坦茨大学、卢森堡大学、法国巴黎大学和西班牙圣塞巴斯蒂安的材料物理中心(CFM-CSIC)和多诺斯蒂亚国际物理中心(DIPC)的理论和实验物理学家组成的国际团队面临的挑战是:一方面开发一种实验装置,用于操纵低于单个振荡周期的飞秒尺度超短光脉冲,并创造纳米结构。应用光子学中心是开发超快激光技术的世界领先设施,合作研究中心767控制的纳米系统:相互作用和与宏尺度的接口,可以获得非常明确的纳米结构,这些结构可以在纳米尺度上创建和控制。

    超快电子开关

    开发的实验装置涉及纳米级黄金天线以及能够每秒发射1亿个单周期光脉冲的超快激光,以便产生可测量电流。光学天线能将激光脉冲的电场亚波长和亚周期时空集中到宽度为6 nm(1 nm=10-^9米)的间隙中。由于电子隧穿出金属和在光场间隙上加速的高度非线性特性,研究人员能够以大约600阿秒(即小于1飞秒,1AS=10^-18秒)的速度切换电子电流。这个过程只发生在光脉冲电场振荡周期不到半个周期的时间尺度上,这一观察结果表明:

    光速般的电子,每秒发射1亿个脉冲激光,还能产生可测量的电流

    巴黎和圣塞巴斯蒂安的项目合作伙伴,能够通过对耦合到光场的电子量子结构,进行与时间相关的处理来确认并绘制出详细地图。这项研究为理解光如何与凝聚态物质相互作用开辟了全新的机会,使人们能够在前所未有的时间和空间尺度上观察量子现象。在这项研究提供由光场驱动的纳米级电子动力学新方法的基础上,研究人员将继续研究原时间和空间尺度上的电子,在更复杂皮米级尺度固态设备中的传输。

    光速般的电子,每秒发射1亿个脉冲激光,还能产生可测量的电流

    博科园|研究/来自:康斯坦茨大学

    参考期刊《自然物理学》

    DOI: 10.1038/s41567-019-0745-8

    博科园|科学、科技、科研、科普

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