Часто кажется, что электроника будет продолжать становиться быстрее вечно, но в какой-то момент законы физики вмешаются, чтобы положить этому конец. Теперь ученые рассчитали предельную скорость — точку, при которой квантовая механика не позволяет микрочипам становиться быстрее.
Хорошо известно, что ничто не движется быстрее света, и это верно для электроники — системы, использующие свет для управления электричеством, известные как оптоэлектроника, являются самыми быстрыми устройствами. И в новом исследовании, исследователи из Венского технического университета, Грацского технического университета и Института квантовой оптики Общества Макса Планка определили верхний предел того, насколько быстрой может стать оптоэлектроника.
Команда провела эксперименты с использованием полупроводниковых материалов и лазеров. На полупроводник воздействует ультракороткий лазерный импульс, который переводит электроны в материале в более высокое энергетическое состояние, позволяя им свободно перемещаться. Затем второй, немного более длинный лазерный импульс отправляет их в определенное направление, создавая электрический ток.
Диаграмма, показывающая, как ультракороткие лазерные импульсы (синие) придают электронам в полупроводнике энергию, а затем второй лазерный импульс (красный) отправляет их в определенные направления, создавая электрический ток. Фото: TU Wien
Используя эту технику, а также сложное компьютерное моделирование, команда исследовала полупроводники с помощью все более и более коротких лазерных импульсов. Но в какой-то момент процесс начинает наталкиваться на принцип неопределенности Гейзенберга — это странная квантовая особенность, когда чем точнее вы измеряете одну характеристику частицы, тем меньше вы можете быть уверены в другой.
В данном случае, использование более коротких лазерных импульсов означает, что наблюдатели могут точно сказать, когда электроны набирают энергию, но это происходит за счет меньшей уверенности в количестве энергии, которую они получают. И это серьезная проблема для электронных устройств, потому что незнание точных энергий электронов означает, что ими нельзя точно управлять.
Исходя из этого, команда вычислила абсолютный верхний предел скорости оптоэлектронных систем — один петагерц, что равно миллиону гигагерц. Это жесткий предел, который нельзя обойти, потому что барьер встроен в сами законы квантовой физики.
Конечно, маловероятно, что нам когда-либо действительно придется беспокоиться об этом напрямую. Команда говорит, что другие технологические препятствия возникнут задолго до того, как оптоэлектронные устройства достигнут области в 1 ПГц. Но понимание жестких ограничений может помочь в разработке более совершенной электроники.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Источник: TU Wien.
