Fizika kuantike vendos një kufi shpejtësie për elektronikën

Sa e shpejtë mund të jetë elektronika? Kur çipat kompjuterikë punojnë me sinjale dhe intervale kohore gjithnjë e më të shkurtra, në një moment ata dalin kundër kufijve fizikë. Proceset kuantike-mekanike që mundësojnë gjenerimin e rrymës elektrike në një material gjysmëpërçues kërkojnë një kohë të caktuar. Kjo vendos një kufi në shpejtësinë e gjenerimit dhe transmetimit të sinjalit.

TU Wien (Vjenë), TU Graz dhe Instituti Max Planck i Optikës Kuantike në Garching tani kanë qenë në gjendje të eksplorojnë këto kufij: Shpejtësia definitivisht nuk mund të rritet përtej një petahertz (një milion gigahertz), edhe nëse materiali është i emocionuar në një mënyrë optimale me impulse lazer. Ky rezultat tani është publikuar në revistën shkencore Nature Communications.

Rryma elektrike dhe drita (p.sh. fushat elektromagnetike) janë gjithmonë të ndërlidhura. Kështu ndodh edhe në mikroelektronikë: në mikroçipe, elektriciteti kontrollohet me ndihmën e fushave elektromagnetike. Për shembull, një fushë elektrike mund të aplikohet në një transistor, dhe në varësi të faktit nëse fusha është e ndezur ose e fikur, tranzistori ose lejon që rryma elektrike të rrjedhë ose e bllokon atë. Në këtë mënyrë, një fushë elektromagnetike shndërrohet në një sinjal elektrik.

Për të testuar kufijtë e këtij konvertimi të fushave elektromagnetike në rrymë, përdoren impulset lazer – fushat elektromagnetike më të shpejta dhe më të sakta në dispozicion – në vend të transistorëve.

“Studiohen materiale që fillimisht nuk përçojnë fare elektricitetin,” shpjegon Prof. Joachim Burgdörfer nga Instituti për Fizikën Teorike në TU Wien. “Këto goditen nga një impuls lazer ultra i shkurtër me një gjatësi vale në rrezen ekstreme UV. Ky puls lazer i zhvendos elektronet në një nivel më të lartë energjie, në mënyrë që ato të mund të lëvizin papritmas lirshëm. Në këtë mënyrë, pulsi lazer e kthen materialin në një përcjellës elektrik për një periudhë të shkurtër kohe.” Sapo të ketë transportues ngarkesash që lëvizin lirshëm në material, ato mund të zhvendosen në një drejtim të caktuar me një impuls lazer të dytë, pak më të gjatë. Kjo krijon një rrymë elektrike që më pas mund të zbulohet me elektroda në të dy anët e materialit.

Këto procese ndodhin jashtëzakonisht shpejt, në një shkallë kohore prej atto- ose femtosekonda. “Për një kohë të gjatë, procese të tilla konsideroheshin të menjëhershme,” thotë Prof. Christoph Lemell (TU Wien). “Sot, megjithatë, ne kemi teknologjinë e nevojshme për të studiuar në detaje evolucionin kohor të këtyre proceseve ultra të shpejta.” Pyetja kryesore është: Sa shpejt reagon materiali ndaj lazerit? Sa kohë zgjat gjenerimi i sinjalit dhe sa kohë duhet pritur derisa materiali të ekspozohet ndaj sinjalit tjetër? Eksperimentet u kryen në Garching dhe Graz, puna teorike dhe simulimet komplekse kompjuterike u kryen në TU Wien.

Eksperimenti çon në një dilemë klasike të pasigurisë, siç ndodh shpesh në fizikën kuantike: për të rritur shpejtësinë, nevojiten impulse lazer jashtëzakonisht të shkurtër UV, në mënyrë që transportuesit e ngarkesës pa pagesë të krijohen shumë shpejt. Sidoqoftë, përdorimi i impulseve jashtëzakonisht të shkurtra nënkupton që sasia e energjisë që transferohet tek elektronet nuk është e përcaktuar saktësisht. Elektronet mund të thithin energji shumë të ndryshme. “Ne mund të themi saktësisht se në cilën pikë kohore krijohen transportuesit e ngarkesës falas, por jo në cilën gjendje energjetike janë,” thotë Christoph Lemell. “Lëndët e ngurta kanë breza të ndryshëm energjie dhe me impulse të shkurtra lazer, shumë prej tyre janë të populluara në mënyrë të pashmangshme nga transportues të lirë të ngarkesës në të njëjtën kohë.”

Në varësi të sasisë së energjisë që mbartin, elektronet reagojnë krejt ndryshe ndaj fushës elektrike. Nëse energjia e tyre e saktë nuk dihet, nuk është më e mundur të kontrollohen me saktësi dhe sinjali aktual që prodhohet është i shtrembëruar – veçanërisht në intensitetet e larta të lazerit.

“Rezulton se rreth një petaherz është një kufi i sipërm për proceset optoelektronike të kontrolluara,” thotë Joachim Burgdörfer. Natyrisht, kjo nuk do të thotë se është e mundur të prodhohen çipa kompjuterikë me një frekuencë të orës vetëm nën një petahertz. Kufijtë e sipërm realistë teknikë ka shumë të ngjarë të jenë dukshëm më të ulëta. Edhe pse ligjet e natyrës që përcaktojnë kufijtë e shpejtësisë përfundimtare të optoelektronikës nuk mund të tejkalohen, ato tani mund të analizohen dhe kuptohen me metoda të reja të sofistikuara.