Исследователи, включая инженеров в Мичиганском университете, показали, что они могли управлять пиками в лазерных импульсах и также крутить свет.Метод перемещает электроны быстрее и более эффективно, чем электрический ток – и с надежными эффектами на их квантовые состояния. Это – шаг к так называемому «lightwave электроника» и, в более далеком будущем, квантовом вычислении, сказала Макилло Кира, преподаватель U-M электротехники и информатики, кто был вовлечен в исследование.Электроны, перемещающиеся через полупроводник в компьютер, например, иногда сталкиваются с другими электронами, выпуская энергию в форме тепла.
Но понятие, названное lightwave электроникой, предлагает, чтобы электроны могли управляться сверхбыстрыми лазерными импульсами. В то время как высокая скорость в автомобиле делает его более вероятно, что водитель врежется во что-то, высокая скорость для электрона может сделать время прохождения столь коротким, что это статистически вряд ли поразит что-либо.«За прошлые несколько лет мы и другие группы нашли, что колеблющееся электрическое поле ультракоротких лазерных импульсов может на самом деле переместить электроны назад и вперед в твердые частицы», сказал Руперт Хубер, преподаватель физики в Университете Регенсбурга, который привел эксперимент. «Все были немедленно взволнованы, потому что можно быть в состоянии эксплуатировать этот принцип, чтобы построить будущие компьютеры, которые работают при беспрецедентных тактовых частотах – 10 к в сто тысяч раз быстрее, чем современная электроника».Но сначала, исследователи должны быть в состоянии управлять электронами в полупроводнике.
Эта работа предпринимает шаги к этой способности, мобилизуя группы электронов в полупроводниковом кристалле использование радиации терагерца – часть электромагнитного спектра между микроволновыми печами и инфракрасным светом.Исследователи блистали лазерные импульсы в кристалл полупроводникового селенида галлия.
Эти импульсы были очень коротки меньше чем в 100 фемтосекунд или 100 quadrillionths секунды. Каждый пульс совал электроны в полупроводнике на более высокий энергетический уровень – который означал, что они были свободны перемещаться вокруг – и несли их вперед. Различные ориентации полупроводникового кристалла относительно импульсов означали, что электроны переместились в различных направлениях через кристалл – например, они могли бежать вдоль атомных связей или промежуточный их.«Различные энергетические пейзажи могут быть рассмотрены как плоская и прямая улица для электронов в одном кристаллическом направлении, но для других, оно может больше походить на наклонную плоскость стороне», сказал Фабиан Лангер, докторант в физике в Регенсбурге. «Это означает, что электроны больше могут не перемещаться в направлении лазерной области, но выполнять свое собственное движение, продиктованное микроскопической окружающей средой».
Когда электроны излучали свет, когда они снизились с более высокого энергетического уровня, их различные поездки были отражены в импульсах. Они испустили намного более короткие импульсы, чем электромагнитный радиационный вход. Эти вспышки света были всего несколько фемтосекунд длиной.
В кристалле они достаточно быстры, чтобы взять снимки других электронов, когда они двигаются среди атомов, и они могли также использоваться, чтобы прочитать и написать информацию электронам. Для этого исследователи должны были бы быть в состоянии управлять этими импульсами – и кристалл обеспечивает диапазон инструментов.«Есть быстрые колебания как пальцы в пульсе. Мы можем переместить положение пальцев действительно легко, повернув кристалл», сказала Кира, группа которой работала с исследователями в Университете Марбурга, Германия, чтобы интерпретировать эксперимент Хубера.
Кристалл мог также крутить коммуникабельные световые волны или не, в зависимости от его ориентации к поступающим лазерным импульсам.Поскольку импульсы фемтосекунды достаточно быстры, чтобы перехватить электрон между тем, чтобы быть помещенным во взволнованное государство и снижением с того государства, они могут потенциально использоваться для квантовых вычислений, используя электроны во взволнованных государствах как кубиты.«Например, здесь нам удалось начать один электрон одновременно через два пути возбуждения, который не классически возможен. Это – квантовый мир.
В квантовом мире странные вещи происходят», сказала Кира.Электрон достаточно маленький, что он ведет себя как волна, а также частица – и когда это находится во взволнованном государстве, его изменениях длины волны.
Поскольку электрон был в двух взволнованных государствах сразу, те две волны вмешались друг с другом и оставили отпечаток пальца в пульсе фемтосекунды, который испустил электрон.«Этот подлинный квантовый эффект мог быть рассмотрен в импульсах фемтосекунды как новый, управляемый, частоты колебания и направления», сказала Кира. «Это – конечно, фундаментальная физика. С теми же самыми идеями Вы могли бы оптимизировать химические реакции. Вы могли бы получить новые способы хранить информацию или передать информацию надежно через квантовую криптографию».
Хубер особенно интересуется стробоскопическими камерами замедленного движения показывать некоторые самые быстрые процессы по своей природе, такие как электроны, перемещающиеся в атомах.«Наши прозрачные твердые частицы делают для фантастических источников света в этой области – с беспрецедентными возможностями для формирования пульса», сказал он.
Работа на работе, названной «Управляемая симметрией временная структура высоко-гармонических областей перевозчика от оптового кристалла», будет опубликована по своей природе Фотоника. Исследование финансируется европейским Научным советом и немецким Исследовательский фондом.