Кому-то может показаться, что темпы развития электроники будут возрастать до бесконечности, но на самом деле это не так, и в какой-то момент законы физики положат этому конец. Недавно специалисты установили предел скорости - точку, после которой квантовая механика не позволит дальнейшего роста производительности микрочипов.
Широко известно, что ничто в нашей Вселенной не может двигаться быстрее скорости светового потока, и этот принцип касается всех электронных устройств. В новом эксперименте исследователи из Университетов Вены, Граца и Института квантовой оптики Макса Планка установили максимальную границу теоретической скорости оптоэлектроники.
В рамках нового исследования команда подвергла полупроводники воздействию импульсов лазерного света. Под воздействием излучения электроны вещества переходили на более высокий энергетический уровень, позволяя им свободно перемещаться. После чего второй лазерный импульс направлял их в заданном направлении, генерируя электрическое поле.
Используя эту технологию, а также сложное компьютерное моделирование, команда воздействовала на полупроводники все более короткими импульсами лазера. Но в определенный момент этот процесс столкнулся с принципом неопределенности Гейзенберга - странной квантовой загадкой, согласно которой чем точнее вы измеряете один параметр частицы, тем выше погрешность других измерений. А это большая проблема для электронных устройств, поскольку, не зная точную энергию электрона, их невозможно эффективно контролировать.
Исходя из этого, команда рассчитала абсолютный верхний предел максимальной скорости оптоэлектронных систем - один петагерц (или миллион гигагерц). Это абсолютный предел, который невозможно обойти, поскольку барьер заложен в самих основах квантовой физики.
Впрочем, вряд ли мы когда-нибудь столкнемся с этой проблемой. Команда заявляет, что другие технические барьеры возникнут намного раньше того момента, когда электроника достигнет критической частоты. Но механизмы, лежащие в основе этого принципа, помогут в будущем разработать более совершенные электронные системы.
"Реалистичные технические верхние пределы, скорее всего, значительно ниже", - говорят ученые в пресс-релизе. "Несмотря на то, что законы природы, определяющие предельные скорости оптоэлектроники, невозможно обойти, теперь их можно проанализировать и понять с помощью современных инновационных инструментов. Знание потолка позволяет исследователям и разработчикам лучше понимать ограничения, с которыми они взаимодействуют, и соответствующим образом корректировать свою работу".
Движение заряда под действием светового поля связывает полупроводниковую технологию и электрические поля с аттосекундным временным контролем. Возбуждение сильного поля, мотивированное сверхскоростной электронной обработкой сигналов, было признано жизнеспособным для сверхбыстрого манипулирования электронными свойствами твердого тела, но оказалось, что оно вызывает сложную динамику после возбуждения. В данном случае речь идет об однофотонном заполнении полосы проводимости диэлектрика с широким зазором в течение приблизительно одной фемтосекунды. Исследователи управляем динамикой последующего движения блоховского волнового пакета с помощью электрического поля видимого света. Результирующий ток позволяет осуществлять дискретизацию оптических полей и отслеживать движение заряда под действием оптических сигналов. Новый подход использует большую часть полосы проводимости для достижения максимальной скорости работы. В качестве механизма, ограничивающего скорость управления электрическими токами в твердых телах, рассматривается перенос заряда в соседние области и связанный с этим процесс инверсии групповой скорости. Полученные результаты означают фундаментальное ограничение для классической обработки сигналов и позволяют предположить практическую осуществимость твердотельной оптоэлектроники с частотой до 1 ПГц.
Результаты данного исследования были представлены в издании Nature Communications.
Источники: TU Wien
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/new/new-articles/new/bitte-erst-ab-1100-die-hoechstgeschwindigkeit-der-quanten