Оптоэлектронные системы становятся все быстрее и быстрее. Но настанет день, когда сделать лучше будет невозможно: законы квантовой механики накладывают верхний предел на скорость их обработки. Группе исследователей из Технических университетов Вены и Граца и Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге удалось определить этот предел: их работа показывает, что скорость этих компонентов не может превышать одного петагерца (PHz), или одной миллионной гигагерца.
Согласно специальной теории относительности, скорость света в вакууме - это максимальная скорость, которую может достичь любая форма материи или информации во Вселенной. Оптоэлектронные системы - системы, которые обнаруживают и управляют светом для производства электрического тока (и наоборот) - являются самыми быстрыми устройствами на сегодняшний день. Фототранзисторы, фоторезисторы и светоизлучающие диоды являются примерами оптоэлектронных компонентов.
Благодаря техническому прогрессу электронные микрочипы, в которые интегрированы эти компоненты, используют все более короткие сигналы и временные интервалы (порядка нескольких фемтосекунд или даже аттосекунд); однако эта скорость не может быть бесконечной: квантово-механические процессы, позволяющие генерировать электрический ток в полупроводниковом материале, занимают определенное время, которое невозможно сжать - даже если материал оптимально возбуждается лазерными импульсами. Поэтому скорость генерации и передачи сигнала неизбежно ограничена.
Сегодня известно, что физическим пределом миниатюризации электроники является размер атома; невозможно изготовить чип меньшего размера. Электронные компоненты ограничены не только по размеру, но и по производительности: скорость передачи данных нельзя ускорять бесконечно. Это зависит от скорости обработки сигнала транзисторами, которые либо блокируют, либо пропускают ток.
Исследователи задались целью выяснить, каков именно этот предел. Для этого они облучали диэлектрический материал ультракороткими лазерными импульсами. Диэлектрические материалы требуют гораздо больше энергии для возбуждения, чем полупроводники, что позволяет использовать высокочастотный свет и достигать более быстрой передачи данных. Они выбрали фторид лития, который имеет самый большой зазор - расстояние между валентной и проводящей полосами - среди всех известных материалов.
"Мы изучаем материалы, которые изначально вообще не проводят электричество", — уточняет в пресс-релизе профессор Иоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета.
Лазерные импульсы, длина волны которых находится в ультрафиолетовом диапазоне, заставляют электроны в материале переходить на более высокий энергетический уровень (соответствующий возбужденному состоянию): они переходят из валентной зоны в зону проводимости. В результате электроны получают свободу движения, и материал на мгновение становится электропроводным. Второй, чуть более длинный лазерный импульс толкает их в определенном направлении. Затем полученный электрический ток регистрируется с помощью электродов, расположенных по обе стороны материала.
Явление настолько быстрое (порядка 10-18 до 10-15 секунд), что долгое время считалось мгновенным, отмечает профессор Кристоф Лемелл из TU Wien. Но теперь современные технологии позволяют разгадать каждый этап этого сверхбыстрого процесса. Например, теперь можно определить скорость реакции материала, скорость генерирования сигнала и время ожидания перед подачей второго импульса. Таким образом, эксперименты команды в сочетании с компьютерным моделированием позволили достичь конечного предела.
"Наши результаты означают фундаментальный предел для классической обработки сигналов и предполагают возможность создания твердотельной оптоэлектроники вплоть до частоты 1 ПГц", — резюмируют исследователи в журнале Nature Communications.
Чтобы достичь этого результата, они бомбардировали материал все более короткими лазерными импульсами. Для увеличения скорости необходимы очень короткие импульсы ультрафиолетового лазера, чтобы свободные носители заряда создавались как можно быстрее. Однако использование чрезвычайно коротких импульсов означает, что количество энергии, переданной электронам, больше не может быть точно определено.
"Мы можем точно сказать, когда создаются носители заряда, но не в каком энергетическом состоянии они находятся", — объясняет Кристоф Лемелл. Это хорошо известный принцип неопределенности в физике.
Электроны могут поглощать очень разные энергии, и они очень по-разному реагируют в электрическом поле в зависимости от энергии, которую они несут. Эта неопределенность представляет собой серьезную проблему для электронных устройств: незнание точных энергий электронов означает, что ими нельзя управлять так же точно, и поэтому создаваемый токовый сигнал искажается.
Команда рассчитала верхний предел скорости, которую теоретически могут достичь оптоэлектронные системы, оставаясь управляемыми: около одного петагерца (или 1015 герц, или один миллион гигагерц). Это примерно в 100 000 раз быстрее, чем скорость современных транзисторов. Конечно, это предел, которого мы, скорее всего, никогда не достигнем: он определяется законами квантовой физики, но технические возможности устанавливают предел гораздо ниже этого. Определение этого абсолютного предела и, прежде всего, детальное представление об оптоэлектронных процессах благодаря сложным методам, тем не менее, может помочь в разработке еще более эффективных систем.