Konzept der digitalen Technologie. nadla/iStock
Es ist schwer vorstellbar, dass eine Welt die Innovationsgrenze erreicht hat, wenn es um die Geschwindigkeit elektronischer Geräte geht. Aber genau das hat ein globales Team von Wissenschaftlern getan.
Die Forschenden der TU Wien, der TU Graz und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik berechneten das ultimative Tempolimit für elektronische Geräte, den Punkt, an dem die Gesetze der Quantenmechanik verhindern, dass Mikrochips schneller werden, Laut einer Studie veröffentlicht in Naturkommunikation.
Die schnellsten Geräte der Welt sind als Optoelektronik bekannt – Systeme, die Licht zur Steuerung von Elektrizität verwenden. Die neue Studie umreißt die Grenzen für Optoelektronik, indem sie die Geschwindigkeit berechnet, mit der die leistungsstärksten Beispiele dieser Geräte arbeiten können.
Für ihre Berechnungen experimentierte das Team mit Halbleitermaterialien und Lasern. Ein schneller Laserpuls regt Elektronen im Material an, bevor ein zweiter, etwas längerer Laserpuls einen elektrischen Strom im Material erzeugt. Die Forscher beobachteten den Strom, während sie kürzere und kürzere anlegtenkürzere Laserpulse, bis Heisenbergs Unschärferelation es ihnen erlaubte, nicht weiter zu gehen – das Prinzip besagt, dass je genauer man eine Variable eines Teilchens misst, wie etwa seine Position, desto unsicherer andere Variablen, wie etwa der Impuls, und umgekehrt.
Die Obergrenze der Optoelektronik
Die Forscher wandten ihre Erkenntnisse auch auf komplexe Computersimulationen an, um ihre Beobachtungen besser zu verstehen. Durch die Verwendung kürzerer Laserpulse konnten die Forscher genau berechnen, wann die Elektronen Energie gewonnen haben. Aufgrund des Heisenberg-Prinzips ging dies jedoch zu Lasten der ReduzierungGewissheit über die Menge der gewonnenen Energie. Das wäre wahrscheinlich eine unüberwindbare Hürde für elektronische Geräte, die genaue Berechnungen von Elektronen erfordern, um sie genau steuern zu können.
Den Forschern zufolge liegt die Obergrenze optoelektronischer Systeme also bei einem Petahertz, was einer Million Gigahertz entspricht. Noch schneller zu fahren, würde die Gesetze der Quantenphysik brechen.
Das Team gibt auch an, dass viele andere technische Hürden dem Erreichen dieser Geschwindigkeit im Weg stehen würden, daher werden wir keine optoelektronischen Geräte sehen, die auch nur in die Nähe dieser Obergrenze kommen.
„Realistische technische Obergrenzen liegen höchstwahrscheinlich deutlich niedriger“, sagen die Wissenschaftler in eine Pressemitteilung. "Auch wenn die Naturgesetze, die die endgültigen Geschwindigkeitsgrenzen der Optoelektronik bestimmen, nicht ausgetrickst werden können, können sie jetzt mit ausgeklügelten neuen Methoden analysiert und verstanden werden." Die Kenntnis der Obergrenze ermöglicht es Forschern und Entwicklern, die Einschränkungen, mit denen sie arbeiten, besser zu verstehen und ihre Arbeit entsprechend anzupassen.
Zusammenfassung:
Lichtfeldgetriebene Ladungsbewegung verbindet Halbleitertechnologie mit elektrischen Feldern mit Attosekunden-Zeitsteuerung. Motiviert durch ultraschnelle elektronenbasierte Signalverarbeitung wurde die Starkfeldanregung als machbar für die ultraschnelle Manipulation der elektronischen Eigenschaften eines Festkörpers identifiziert, aber es wurde festgestellt, dass sie machbar istevoziert eine verwirrende Dynamik nach der Anregung. Hier berichten wir über die Besiedlung des Leitungsbandes eines Dielektrikums mit breiter Lücke durch einzelne Photonen innerhalb von etwa einer Femtosekunde. Wir steuern die anschließende Bewegung des Bloch-Wellenpakets mit dem elektrischen Feld des sichtbaren Lichts. Der resultierende Strom ermöglicht esAbtasten optischer Felder und Verfolgen von Ladungsbewegungen, die durch optische Signale angetrieben werden. Unser Ansatz nutzt einen großen Teil der Leitungsbandbandbreite, um die Betriebsgeschwindigkeit zu maximieren. Wir identifizieren den Besetzungstransfer zu benachbarten Bändern und die damit verbundene Gruppengeschwindigkeitsumkehr als den Mechanismus, der letztendlich die elektrische Geschwindigkeit begrenztStröme können in Festkörpern kontrolliert werden.Unsere Ergebnisse implizieren eine fundamentaleGrenze für die klassische Signalverarbeitung und schlagen die Machbarkeit von Festkörper-Optoelektronik bis zu einer Frequenz von 1 PHz vor.