Exploziile laser conduc cele mai rapide porți logice de până acum

Impulsurile laser sincronizate (roșu și albastru) generează o explozie de purtători de încărcare reali și virtuali în grafen, care sunt absorbiți de aurul metalic pentru a produce un curent net. „Am clarificat rolul purtătorilor de sarcină virtuali și reali în curenții induși de laser, iar acest lucru a deschis calea pentru crearea de porți logice ultrarapide”, spune Ignacio Franco, profesor asociat de chimie și fizică la Universitatea din Rochester. Credit: University of Rochester Illustration/Michael Osadciw

O căutare de lungă durată a științei și tehnologiei a fost dezvoltarea de electronice și procesare a informațiilor care să funcționeze aproape de cele mai rapide intervale de timp permise de legile naturii.

O modalitate promițătoare de a atinge acest obiectiv este utilizarea luminii laser pentru a ghida mișcarea electronilor prin materie și apoi folosirea acestui control pentru a dezvolta elemente de circuit electronic, un concept cunoscut sub numele de electronică cu unde luminoase.

În mod remarcabil, laserele ne permit în prezent să generăm explozii de electricitate pe scale de timp femtosecunde, adică într-o milione de miliardime de secundă. Cu toate acestea, capacitatea noastră de a procesa informații într-un timp atât de rapid de fulger a rămas evazivă.

Astăzi, cercetătorii de la Universitatea din Rochester și de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) au făcut un pas decisiv în această direcție, demonstrând o poartă logică – piatra de temelie a calculului și procesării datelor – care funcționează pe scale de timp femtosecunde. . Isprava, relatată în ziar Naturăa fost realizat prin valorificarea și controlul independent, pentru prima dată, a purtătorilor de încărcare reali și virtuali care alcătuiesc aceste explozii electrice ultrarapide.

Progresele cercetătorilor au deschis ușa procesării informațiilor la limita petaherți, unde un cvadrilion de operații de calcul pot fi procesate pe secundă. Este de aproape un milion de ori mai rapid decât computerele de astăzi care rulează la frecvențe de ceas de gigaherți, unde 1 petahertz este egal cu 1 milion de gigaherți.

„Este un exemplu grozav al modului în care știința de bază poate duce la noi tehnologii”, spune Ignacio Franco, profesor asociat de chimie și fizică la Rochester, care, împreună cu doctorandul Antonio José Garzón-Ramírez ’21 ( Ph.D.), a realizat studiile teoretice care au dus la această descoperire.

Laserele generează explozii de energie electrică fulgerătoare

În ultimii ani, oamenii de știință au învățat cum să exploateze impulsurile laser care durează câteva femtosecunde pentru a genera explozii ultrarapide de curenți electrici. Acest lucru se realizează, de exemplu, prin iluminarea unor fire minuscule pe bază de grafen care conectează două metale de aur. Pulsul laser ultrascurt pune în mișcare sau „excita” electronii din grafen și, mai important, îi trimite într-o anumită direcție, generând astfel un curent electric net.

Impulsurile laser pot genera energie electrică mult mai rapid decât orice metodă tradițională și fac acest lucru în absența tensiunii aplicate. De asemenea, direcția și magnitudinea curentului pot fi controlate pur și simplu prin modificarea formei impulsului laser (adică prin schimbarea fazei acestuia).

Descoperirea: valorificarea transportatorilor de taxe reale și virtuale

Grupurile de cercetare FAU ale lui Franco și Peter Hommelhoff lucrează de câțiva ani pentru a transforma undele luminoase în impulsuri de curent ultrarapid.

Încercând să reconcilieze măsurătorile experimentale din Erlangen cu simulările computerizate din Rochester, echipa a realizat: în joncțiunile aur-grafen-aur, este posibil să se genereze două arome – „reale” și „virtuale” – de particule care poartă sarcinile care alcătuiesc acestea. explozii de electricitate.

  • Purtătorii de sarcină „adevărați” sunt electroni excitați de lumină care rămân în mișcare direcțională chiar și după ce pulsul laser s-a oprit.
  • Purtătorii de sarcină „virtuali” sunt electroni care sunt puși în mișcare direcțională netă numai atunci când pulsul laser este activat. Ca atare, sunt specii evazive care trăiesc doar tranzitoriu în timpul iluminării.

Deoarece grafenul este conectat la aur, purtătorii de sarcină reali și virtuali sunt absorbiți de metal pentru a produce un curent net.

În mod surprinzător, echipa a descoperit că, schimbând forma pulsului laser, ar putea genera curenți în care doar purtătorii de sarcină reali sau virtuali joacă un rol. Cu alte cuvinte, ei nu numai că au generat două arome de curenți, dar au și învățat să-i controleze independent, o descoperire care mărește foarte mult elementele de design ale electronicii unde luminii.

Porți logice cu laser

Folosind acest peisaj de control augmentat, echipa a reușit să demonstreze experimental, pentru prima dată, porți logice care funcționează pe o scară de timp femtosecundă.

Porțile logice sunt blocurile de bază necesare pentru calcule. Ei controlează modul în care informațiile primite, care iau forma 0 sau 1 (numiți biți), sunt procesate. Porțile logice necesită două semnale de intrare și produc o ieșire logică.

În experimentul cercetătorilor, semnalele de intrare sunt forma sau faza a două impulsuri laser sincronizate, fiecare aleasă pentru a genera doar o explozie de purtători de încărcare reali sau virtuali. În funcție de fazele laser utilizate, aceste două contribuții la curenți se pot aduna sau anula reciproc. Semnalului electric net i se poate atribui o informație logică 0 sau 1, rezultând o poartă logică ultra-rapidă.

„Probabil va trece mult timp până când această tehnică poate fi folosită într-un cip de computer, dar cel puțin acum știm că electronica undelor de lumină este practic posibilă”, spune Tobias Boolakee, care a condus eforturile experimentale în calitate de student doctor. student la UFA.

„Rezultatele noastre deschid calea pentru electronica ultrarapidă și procesarea informațiilor”, spune Garzón-Ramírez ’21 (Ph.D.), acum bursier postdoctoral la Universitatea McGill.

“Ceea ce este uimitor la această poartă logică”, spune Franco, “este că operațiunile nu se fac în gigaherți, ca în computerele obișnuite, ci în petaherți, care sunt de un milion de ori mai rapide. Acest lucru se datorează impulsurilor laser foarte scurte utilizate, care apar într-o milione de miliardime de secundă”.

De la fundamente la aplicații

Această nouă tehnologie potențial transformatoare a apărut din studiile fundamentale despre modul în care încărcarea poate fi condusă în sisteme la scară nanometrică cu lasere.

„Prin teoria fundamentală și legătura acesteia cu experimentele, am clarificat rolul purtătorilor de sarcină virtuali și reali în curenții induși de laser, iar acest lucru a deschis calea pentru crearea de porți logice ultrarapide”, explică Franco.

Studiul reprezintă peste 15 ani de cercetare a lui Franco. În 2007, în calitate de doctor. student la Universitatea din Toronto, el a dezvoltat o metodă de a genera curenți electrici ultrarapidi în fire moleculare expuse la impulsuri laser femtosecunde. Această propunere inițială a fost apoi implementată experimental în 2013, iar mecanismul detaliat din spatele experimentelor a fost explicat de grupul Franco într-un studiu din 2018. De atunci, a existat ceea ce Franco numește „creștere experimentală și teoretică explozivă.” „ în acest domeniu.

„Acesta este un domeniu în care teoria și experimentele se provoacă reciproc și, făcând acest lucru, descoperă noi descoperiri fundamentale și tehnologii promițătoare”, spune el.


Fizica cuantică pune o limită de viteză pentru electronice


Mai multe informatii:
Tobias Boolakee, Controlul câmpului ușor al purtătorilor de încărcare reali și virtuali, Natură (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9

Ignacio Franco și colab., Curenți ultrarapidi robusti în fire moleculare prin schimbări puternice, Scrisori de examinare fizică (2007). DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.126802

Agustin Schiffrin și colab., Curentul indus de câmp optic în dielectrici, Natură (2012). DOI: 10.1038/nature11567

Liping Chen și colab., Controlul puternic al electronilor de-a lungul nanojuncțiilor, Comunicarea Naturii (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04393-4

Furnizat de Universitatea din Rochester

Citat: exploziile laser conduc cele mai rapide porți logice de până acum (11 mai 2022) Preluat la 12 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-laser-fastest-ever-logic-gates. html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment