Äärimmäiset rajat nykyelektroniikalle

Ultralyhyt laserpulssi (sininen) luo vapaita varauksenkantajia, toinen pulssi (punainen) kiihdyttää niitä vastakkaisiin suuntiin.

Suurempi kuva

Puolijohde-elektroniikka kiihtyy koko ajan – mutta jossain vaiheessa fysiikka ei enää salli vauhdin kasvattamista. Nyt on tutkittu optoelektronisten ilmiöiden lyhin mahdollinen aikaskaala.

Kvanttimekaaniset prosessit, jotka mahdollistavat sähkövirran muodostuksen puolijohdemateriaalissa, vievät tietyn ajan. Tämä asettaa rajan signaalin generoinnin ja siirron nopeuksille.

TU Wien, TU Graz ja Max Planckin kvanttioptiikan instituutti Garchingissa ovat nyt pystyneet tutkimaan näitä rajoja: Nopeutta ei todella voida kasvattaa yhden petahertsin (miljoona gigahertsin) yli, vaikka materiaali olisikin viritetty optimaaliseen tilaan laserpulsseilla.

Tutkimuksessa sähkömagneettisten kenttien virraksi muuntamisen rajojen testaamiseksi käytetään laserpulsseja - nopeimpia ja tarkimpia saatavilla olevia sähkömagneettisia kenttiä - transistorien sijaan.

Tällaiset tutkimusprosessit tapahtuvat erittäin nopeasti, atto- tai femtosekuntien aika-asteikolla. "Jo pidemmän aikaa tällaisia prosesseja pidettiin hetkellisinä", sanoo Christoph Lemell. "Nyt meillä kuitenkin on tarvittava tekniikka tutkiaksemme näiden ultranopeiden prosessien aikakehitystä yksityiskohtaisesti."

Ratkaiseva kysymys on: Kuinka nopeasti materiaali reagoi laseriin? Kuinka kauan signaalin tuottaminen kestää ja kuinka kauan joutuu odottamaan, että materiaali voidaan altistaa seuraavalle signaalille?

Kokeilu johtaa klassiseen epävarmuusdilemmaan, kuten kvanttifysiikassa usein esiintyy: on valittava nopeuden ja energian välillä. Äärimmäisen lyhyiden pulssien käyttö merkitsee, että elektroneihin siirtyvän energian määrää ei ole tarkasti tiedetä.

Riippuen siitä, kuinka paljon energiaa elektronit kuljettavat, ne reagoivat aivan eri tavalla sähkökenttään. Jos niiden tarkkaa energiaa ei tiedetä, niitä ei ole enää mahdollista tarkasti ohjata ja tuotettu virtasignaali vääristyy – varsinkin suurilla laserintensiteetillä.

"On käynyt ilmi, että noin yksi petahertsi on yläraja ohjatuille optoelektronisille prosesseille", sanoo Joachim Burgdörfer.

Tämä ei tietenkään tarkoita, että olisi mahdollista valmistaa tietokonesiruja, joiden kellotaajuus on hieman alle petahertsin. Realistiset tekniset ylärajat ovat todennäköisesti huomattavasti alhaisemmat.

Pekingiläisen Tsinghuan yliopiston tutkijat ovat puolestaan luoneet grafeenista ja molybdeenidisulfidista transistorin, jonka porttipituus on vain 0,34 nm.

Tutkijat ovat hyödyntäneet pystysuuntaista rakennetta jossa grafeenin paksuus (0,34 nm) määrittää portin pituuden. Eli grafeenikerroksen reuna toimii hilaelektrodina. Käytännössä tätä lyhyempää porttipituutta on vaikea tehdä.

Aiheesta aiemmin:

Hallita elektroneja alle femtosekunneissa