Возможность управлять электронными системами с помощью световых волн вместо сигналов напряжения – мечта физиков во всем мире. Преимущество заключается в том, что электромагнитные световые волны колеблются на частоте petaherz. Это означает, что компьютеры в будущем могут работать со скоростью в миллион раз быстрее, чем сегодня. Ученые из Университета имени Фридриха-Александра (ФАУ; Эрланген-Нюренберг, Германия) подошли на один шаг ближе к достижению этой цели, так как им удалось с помощью ультракоротких лазерных импульсов осуществить  точный контроль электронов в графене.

Рисунок – Движущееся лазерное поле (красное) “трясет” электроны в графене в сверхкоротких временных масштабах. Второй лазерный импульс (зеленый) может управлять этой волной и таким образом определять направление тока.

 © FAU / Christian Heide

Мечта многих – управление током в электронике в миллион раз быстрее, чем в современных системах. Текущий контроль является одним из наиболее важных, так как он отвечает за передачу данных и сигналов. Управление потоком электронов с помощью световых волн вместо сигналов напряжения, как это происходит сейчас, может сделать эту мечту реальностью.

Однако, до настоящего времени, было сложно контролировать поток электронов в металлах, отражать световые волны и электроны внутри них. Поэтому физики из FAU обратились к графену, полуметаллу / semi-metal, который содержит только один настолько тонкий слой углерода , что свет может проникнуть через него, чтобы привести электроны в движение.

В более ранних исследованиях учёным кафедры лазерной физики уже удавалось генерировать электрический сигнал в масштабе времени одной фемтосекунды с помощью очень короткого лазерного импульса. В этих экстремальных временных масштабах электроны раскрывают свою квантовую природу, поскольку они ведут себя как волна. Волна электронов скользит по материалу, так как она управляется световым полем (лазерным импульсом).

Исследователи сделали еще один шаг вперед в текущем исследовании. Они направили второй лазерный импульс на эту волну, который позволяет электронной волне проходить через материал в двух измерениях. Второй лазерный импульс может быть использован для отклонения, ускорения или даже изменения направления электронной волны. Это позволяет передавать информацию этой волной в зависимости от точного времени, силы и направления второго импульса.

Можно сделать еще один шаг. “Представьте, что электронная волна – это волна в воде. Волны в воде могут разбиться из-за препятствия и сходиться и мешать, когда они прошли препятствие. В зависимости от того, как субволны стоят по отношению друг к другу, они либо усиливают, либо гасят друг друга. Мы можем использовать второй лазерный импульс для целенаправленного изменения отдельных субволн и таким образом контролировать их интерференцию”, – объясняет Кристиан Хайде, сотрудник кафедры лазерной физики. “В общем, очень сложно управлять квантовыми явлениями, такими как волновые характеристики электронов в данном случае. Поскольку очень трудно поддерживать электронную волну в материале, поскольку электронная волна рассеивается и теряет свои волновые характеристики. Эксперименты в этой области обычно проводятся при экстремально низких температурах. Теперь есть возможность проводить эти эксперименты при комнатной температуре, так как мы можем контролировать электроны с помощью лазерного излучения на таких высоких скоростях, что не остается времени для процессов разброса с другими электронами. Это позволяет нам исследовать несколько новых физических процессов, которые ранее были недоступны”.

Это означает, что ученые добились значительного прогресса на пути реализации электронных систем, которыми можно управлять с помощью световых волн.

Источник: Ultrafast laser pulses control electrons in graphene, making ultrafast computing possible / Gail Overton / Friedrich-Alexander University (FAU); 

Racing electrons under control 

Ultrafast laser pulses control electrons in graphene  20/11/2018