Возбуждающее лазерное поле (красное) «встряхивает» электроны в графене на ультракоротких частотах, показанных в виде фиолетовых и синих волн. Второй лазерный импульс (зеленый) может контролировать эту волну и, таким образом, определять направление тока. Фото: FAU / Кристиан Хайде.

Электронные системы, использующие световые волны вместо сигналов напряжения, выгодны, так как электромагнитные световые волны колеблются с частотой петахерза. Это означает, что будущие компьютеры могут работать со скоростью в 1 миллион раз быстрее, чем сегодняшние. Ученые из Университета Фридриха-Александра-Эрлангена-Нюрнберга (FAU) в настоящее время преуспели в использовании ультракоротких лазерных импульсов для точного контроля электронов в графене.

Текущий контроль в электронике, который в 1 миллион раз быстрее, чем в современных системах, — мечта многих. Текущий контроль отвечает за передачу данных и сигналов. Однако до сих пор было трудно контролировать поток электронов в металлах, поскольку металлы отражают световые волны, которые, следовательно, не могут влиять на электроны внутри металлического проводника.

Поэтому физики из FAU обратились к графену, полуметаллу, который содержит только один слой углерода и настолько тонкий, что свет может проникать и приводить в движение электроны. В более раннем исследовании физики на кафедре лазерной физики уже преуспели в генерации электрического сигнала в масштабе времени всего одна фемтосекунда с использованием очень короткого лазерного импульса. Это эквивалентно одной миллионной доли одной миллиардной секунды. В этих экстремальных временных масштабах электроны раскрывают свою квантовую природу, когда они ведут себя как волна. Волна электронов скользит по материалу, поскольку он управляется лазерным импульсом.

Исследователи пошли еще дальше в текущем исследовании. Они направили второй лазерный импульс на эту световую волну. Этот второй импульс позволил электронной волне пройти через материал в двух измерениях. Второй лазерный импульс может использоваться 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.

По словам исследователей, можно пойти еще дальше. «Представьте, что электронная волна — это волна в воде. Волны в воде могут расколоться из-за препятствия и сходиться и мешать, когда они преодолевают препятствие. В зависимости от того, как субволны стоят по отношению друг к другу, они либо усиливают, либо подавляют друг друга. Мы можем использовать второй лазерный импульс, чтобы целенаправленно модифицировать отдельные субволны и таким образом контролировать их помехи», — объясняет Кристиан Хайде из кафедры лазерной физики. «В общем, очень трудно контролировать квантовые явления, такие как волновые характеристики электронов в данном случае. Это потому, что очень трудно поддерживать электронную волну в материале, поскольку электронная волна рассеивается вместе с другими электронами и теряет свои волновые характеристики. Эксперименты в этой области обычно проводятся при чрезвычайно низких температурах. Теперь мы можем проводить эти эксперименты при комнатной температуре, так как мы можем управлять электронами с помощью лазерных импульсов с такими высокими скоростями, что не остается времени на процессы рассеяния с другими электронами. Это позволяет нам исследовать несколько новых физических процессов, которые ранее были недоступны».

Ученые достигли значительного прогресса в создании электронных систем, которыми можно управлять с помощью световых волн. В ближайшие несколько лет они будут исследовать, можно ли электронами в других двумерных материалах также управлять таким же образом. «Может быть, мы сможем использовать исследование материалов, чтобы изменить характеристики материалов таким образом, чтобы в скором времени стало возможным создание небольших транзисторов, которые могут управляться светом», — говорит Хайде.

По материалам сайта phys.org