Extremadamente corto pulsos de luz configurables de "femtosegundos" demostrados por un equipo internacional podrían dar lugar a futuros ordenadores que funcionen hasta 100, 000 veces más rápido que la electrónica actual.

Los investigadores, incluidos ingenieros de la Universidad de Michigan, demostró que podían controlar los picos dentro de los pulsos láser y también torcer la luz.

El método mueve los electrones de manera más rápida y eficiente que las corrientes eléctricas, y con efectos confiables en sus estados cuánticos. Es un paso hacia la llamada "electrónica de ondas de luz" y, en un futuro más lejano, computación cuántica, dijo Mackillo Kira, Profesor de la UM de ingeniería eléctrica e informática que participó en la investigación.

Electrones que se mueven a través de un semiconductor en una computadora, por ejemplo, ocasionalmente se topa con otros electrones, liberando energía en forma de calor. Pero un concepto llamado electrónica de ondas de luz propone que los electrones podrían ser guiados por pulsos de láser ultrarrápidos. Si bien la alta velocidad en un automóvil hace que sea más probable que un conductor choque contra algo, La alta velocidad de un electrón puede hacer que el tiempo de viaje sea tan corto que es estadísticamente improbable que golpee algo.

"En los años pasados, nosotros y otros grupos hemos descubierto que el campo eléctrico oscilante de los pulsos láser ultracortos puede mover electrones hacia adelante y hacia atrás en los sólidos, "dijo Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Regensburg que dirigió el experimento. "Todo el mundo se emocionó de inmediato porque uno podría explotar este principio para construir computadoras futuras que funcionen a velocidades de reloj sin precedentes, de 10 a cien mil veces más rápido que la electrónica de última generación".

Pero primero, los investigadores deben poder controlar los electrones en un semiconductor. Este trabajo da un paso hacia esta capacidad al movilizar grupos de electrones dentro de un cristal semiconductor usando radiación de terahercios, la parte del espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja.

Los investigadores proyectaron pulsos de láser en un cristal del semiconductor seleniuro de galio. Estos pulsos fueron muy cortos a menos de 100 femtosegundos, o 100 cuatrillonésimas de segundo. Cada pulso hacía saltar electrones en el semiconductor a un nivel de energía más alto, lo que significaba que eran libres para moverse, y los llevaba hacia adelante. Las diferentes orientaciones del cristal semiconductor con respecto a los pulsos significaban que los electrones se movían en diferentes direcciones a través del cristal, por ejemplo, podrían correr a lo largo de enlaces atómicos o entre ellos.

"Los diferentes paisajes energéticos pueden verse como una calle plana y recta para los electrones en una dirección cristalina, pero para otros, puede parecer más un plano inclinado hacia un lado, "dijo Fabian Langer, estudiante de doctorado en física en Ratisbona. "Esto significa que es posible que los electrones ya no se muevan en la dirección del campo láser, sino que realicen su propio movimiento dictado por el entorno microscópico".

Cuando los electrones emitieron luz al descender del nivel de energía superior, sus diferentes viajes se reflejaban en los pulsos. Emitían pulsos mucho más cortos que la radiación electromagnética que entraba. Estas ráfagas de luz duraban solo unos pocos femtosegundos.

Dentro de un cristal Son lo suficientemente rápidos como para tomar instantáneas de otros electrones mientras se mueven entre los átomos, y también podrían usarse para leer y escribir información en electrones. Para eso, los investigadores necesitarían poder controlar estos pulsos, y el cristal proporciona una variedad de herramientas.

"Hay oscilaciones rápidas como dedos dentro de un pulso. Podemos mover la posición de los dedos con mucha facilidad girando el cristal, "dijo Kira, cuyo grupo trabajó con investigadores de la Universidad de Marburg, Alemania, para interpretar el experimento de Huber.

El cristal también podría torcer las ondas de luz salientes o no, dependiendo de su orientación a los pulsos láser entrantes.

Debido a que los pulsos de femtosegundos son lo suficientemente rápidos como para interceptar un electrón entre que se pone en un estado excitado y desciende de ese estado, potencialmente pueden usarse para cálculos cuánticos usando electrones en estados excitados como qubits.

"Por ejemplo, aquí logramos lanzar un electrón simultáneamente a través de dos vías de excitación, lo cual no es clásicamente posible. Ese es el mundo cuántico. En el mundo cuántico suceden cosas raras, "Dijo Kira.

Un electrón es lo suficientemente pequeño como para comportarse como una onda y como una partícula, y cuando está en un estado excitado, su longitud de onda cambia. Debido a que el electrón estaba en dos estados excitados a la vez, esas dos ondas interfirieron entre sí y dejaron una huella digital en el pulso de femtosegundos que emitió el electrón.

"Este efecto cuántico genuino podría verse en los pulsos de femtosegundos como nuevo, controlable, frecuencias y direcciones de oscilación, "Dijo Kira." Esto, por supuesto, es física fundamental. Con las mismas ideas, podría optimizar las reacciones químicas. Es posible que obtenga nuevas formas de almacenar información o transmitir información de forma segura a través de la criptografía cuántica ".

Huber está particularmente interesado en las cámaras estroboscópicas de cámara lenta para revelar algunos de los procesos más rápidos de la naturaleza, como los electrones que se mueven dentro de los átomos.

"Nuestros sólidos cristalinos son fuentes de luz fantásticas en este campo, con posibilidades sin precedentes para la formación de pulsos, " él dijo.

Un documento sobre el trabajo titulado "Estructura temporal controlada por simetría de campos portadores de armónicos altos de un cristal a granel, "se publicará en Fotónica de la naturaleza . La investigación está financiada por el Consejo Europeo de Investigación y la Fundación de Investigación Alemana.