Laserstöße treiben die schnellsten Logikgatter aller Zeiten an

Laserstöße treiben die schnellsten Logikgatter aller Zeiten an

Synchronisierte Laserpulse (rot und blau) erzeugen einen Ausbruch realer und virtueller Ladungsträger in Graphen, die von Goldmetall absorbiert werden, um einen Nettostrom zu erzeugen. „Wir haben die Rolle von virtuellen und realen Ladungsträgern in laserinduzierten Strömen aufgeklärt, und das hat den Weg für die Entwicklung ultraschneller Logikgatter geebnet“, sagt Ignacio Franco, außerordentlicher Professor für Chemie und Physik an der University of Rochester. Bildnachweis: Illustration der University of Rochester / Michael Osadciw

Eine langjährige Suche nach Wissenschaft und Technologie besteht darin, Elektronik und Informationsverarbeitung zu entwickeln, die in der Nähe der schnellsten Zeitskalen arbeiten, die die Naturgesetze zulassen.

Ein vielversprechender Weg, dieses Ziel zu erreichen, ist die Verwendung Laserlicht um die Bewegung von Elektronen in Materie zu lenken und diese Kontrolle dann zur Entwicklung elektronischer Schaltungselemente zu nutzen – ein Konzept, das als Lichtwellenelektronik bekannt ist.

Bemerkenswerterweise ermöglichen uns Laser derzeit, Stromstöße im Femtosekunden-Zeitmaßstab zu erzeugen – das heißt in einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Doch unsere Fähigkeit, Informationen in diesen ultraschnellen Zeitskalen zu verarbeiten, ist schwer fassbar geblieben.

Jetzt haben Forscher der University of Rochester und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) einen entscheidenden Schritt in diese Richtung gemacht, indem sie ein logisches Gatter – den Baustein der Berechnung und Informationsverarbeitung – demonstriert haben, das in Femtosekunden-Zeitskalen arbeitet. Das Kunststück, berichtet im Journal Naturwurde erreicht, indem zum ersten Mal die realen und virtuellen Ladungsträger, aus denen diese ultraschnellen Stromstöße bestehen, genutzt und unabhängig gesteuert werden.

Die Fortschritte der Forscher haben die Tür zur Informationsverarbeitung an der Petahertz-Grenze geöffnet, wo eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde verarbeitet werden können. Das ist fast eine Million Mal schneller als heutige Computer, die mit Gigahertz-Taktraten arbeiten, wobei 1 Petahertz 1 Million Gigahertz entspricht.

„Das ist ein großartiges Beispiel dafür, wie grundlegende Wissenschaft zu neuen Technologien führen können”, sagt Ignacio Franco, außerordentlicher Professor für Chemie und Physik in Rochester, der in Zusammenarbeit mit dem Doktoranden Antonio José Garzón-Ramírez ’21 (Ph.D.) die theoretische Studien die zu dieser Entdeckung führten.

Laser erzeugen ultraschnelle Stromstöße

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler gelernt, wie man sie ausnutzt Laserpuls die einige Femtosekunden dauern, um ultraschnelle elektrische Ströme zu erzeugen. Dies geschieht beispielsweise durch die Beleuchtung winziger Drähte auf Graphenbasis, die zwei Goldmetalle verbinden. Der ultrakurze Laserpuls setzt die Elektronen in Graphen in Bewegung oder „regt sie an“ und schickt sie vor allem in eine bestimmte Richtung – und erzeugt so ein Netz elektrischer Strom.

Laserpulse können viel schneller Strom erzeugen als jede herkömmliche Methode – und dies ohne angelegte Spannung. Außerdem können Richtung und Größe des Stroms einfach durch Variieren der Form des Laserpulses (d. h. durch Ändern seiner Phase) gesteuert werden.

Der Durchbruch: Reale und virtuelle Ladungsträger nutzbar machen

Die Forschungsgruppen von Franco und Peter Hommelhoff von der FAU arbeiten seit mehreren Jahren daran, Lichtwellen in ultraschnelle Strompulse umzuwandeln.

Beim Versuch, die experimentellen Messungen in Erlangen mit Computersimulationen in Rochester in Einklang zu bringen, hatte das Team eine Erkenntnis: In Gold-Graphen-Gold-Übergängen ist es möglich, zwei Geschmacksrichtungen – „real“ und „virtuell“ – der Partikel zu erzeugen, die die tragen Ladungen, aus denen diese Stromstöße bestehen.

  • „Echte“ Ladungsträger sind durch Licht angeregte Elektronen, die auch nach Abschalten des Laserpulses in gerichteter Bewegung bleiben.
  • “Virtuelle” Ladungsträger sind Elektronen, die nur in eine Nettorichtungsbewegung versetzt werden, während der Laserpuls eingeschaltet ist. Als solche sind sie schwer fassbare Arten, die nur vorübergehend während der Beleuchtung leben.

Da das Graphen mit Gold verbunden ist, werden sowohl reale als auch virtuelle Ladungsträger vom Metall absorbiert, um einen Nettostrom zu erzeugen.

Überraschenderweise entdeckte das Team, dass sie durch Veränderung der Form des Laserpulses Ströme erzeugen konnten, bei denen nur die realen oder die virtuellen Ladungsträger eine Rolle spielen. Mit anderen Worten, sie erzeugten nicht nur zwei Arten von Strömen, sondern lernten auch, sie unabhängig voneinander zu steuern, eine Erkenntnis, die die Designelemente in der Lichtwellenelektronik drastisch erweitert.

Logikgatter durch Laser

Mit dieser erweiterten Steuerungslandschaft konnte das Team erstmals experimentell zeigen, logische Gatter die auf einer Femtosekunden-Zeitskala arbeiten.

Logikgatter sind die grundlegenden Bausteine, die für Berechnungen benötigt werden. Sie steuern, wie eingehende Informationen in Form von 0 oder 1 (sogenannte Bits) verarbeitet werden. Logikgatter benötigen zwei Eingangssignale und liefern einen logischen Ausgang.

Im Experiment der Forscher, die Eingangssignale sind die Form oder Phase zweier synchronisierter Laserpulse, von denen jeder so gewählt ist, dass er nur einen Burst realer oder virtueller Ladungsträger erzeugt. Abhängig von den verwendeten Laserphasen können sich diese beiden Beiträge zu den Strömen entweder addieren oder aufheben. Dem elektrischen Nettosignal kann die logische Information 0 oder 1 zugewiesen werden, was ein ultraschnelles Logikgatter ergibt.

„Es wird wahrscheinlich noch sehr lange dauern, bis diese Technik in einem Computerchip verwendet werden kann, aber zumindest wissen wir jetzt, dass Lichtwellenelektronik praktisch möglich ist“, sagt Tobias Boolakee, der als Doktorand die experimentellen Bemühungen leitete an der FAU.

“Unsere Ergebnisse ebnen den Weg zu ultraschneller Elektronik und Informationsverarbeitung”, sagt Garzón-Ramírez ’21 (Ph.D.), jetzt Postdoktorand an der McGill University.

„Das Erstaunliche an diesem Logikgatter“, sagt Franco, „ist, dass die Operationen nicht wie bei normalen Computern in Gigahertz, sondern in Petahertz durchgeführt werden, was eine Million Mal schneller ist. Das liegt an den wirklich kurzen Laserpulsen, die verwendet werden die in einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde auftreten.”

Von den Grundlagen bis zur Anwendung

Diese neue, potenziell transformative Technologie entstand grundlegend aus Studien darüber, wie Ladung in nanoskaligen Systemen mit Lasern angetrieben werden kann.

“Durch fundamentale Theorie und deren Zusammenhang mit den Experimenten haben wir die Rolle von virtuellen und realen Ladungsträgern in laserinduzierten Strömen aufgeklärt und damit den Weg zur Entwicklung ultraschneller Logikgatter geebnet”, sagt Franco.

Die Studie repräsentiert mehr als 15 Jahre Forschung von Franco. 2007 entwickelte er als Doktorand an der University of Toronto eine Methode zur Erzeugung ultraschneller elektrischer Ströme in molekularen Drähten, die Femtosekunden-Laserpulsen ausgesetzt waren. Dieser ursprüngliche Vorschlag wurde später im Jahr 2013 experimentell umgesetzt und der detaillierte Mechanismus hinter den Experimenten von der Franco-Gruppe in einer Studie aus dem Jahr 2018 erklärt. Seitdem hat es auf diesem Gebiet ein, wie Franco es nennt, “explosives” experimentelles und theoretisches Wachstum gegeben.

„Dies ist ein Bereich, in dem sich Theorie und Experiment gegenseitig herausfordern und dabei neue grundlegende Entdeckungen und vielversprechende Technologien enthüllen“, sagt er.


Die Quantenphysik setzt der Elektronik eine Geschwindigkeitsbegrenzung


Mehr Informationen:
Tobias Boolakee, Lichtfeldkontrolle realer und virtueller Ladungsträger, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9

Ignacio Franco et al, Robuste ultraschnelle Ströme in molekularen Drähten durch starke Verschiebungen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2007). DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.126802

Agustin Schiffrin et al, Durch optische Felder induzierter Strom in Dielektrika, Natur (2012). DOI: 10.1038/natur11567

Liping Chen et al., Starke Kontrolle von Elektronen entlang von Nanoübergängen, Naturkommunikation (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04393-4

Zur Verfügung gestellt von
Universität Rochester


Zitieren: Laser Bursts Drive Fastest-ever-Logic Gates (2022, 11. Mai), abgerufen am 12. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-laser-fastest-ever-logic-gates.html

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