Ilustración de cómo se puede imaginar que los electrones se mueven entre dos brazos de una nanoantena metálica, impulsado por una onda de luz de ciclo único. Crédito:Universidad de Konstanz
Un equipo europeo de investigadores, incluidos físicos de la Universidad de Konstanz, ha encontrado una forma de transportar electrones a veces por debajo del rango de femtosegundos manipulándolos con luz. Esto podría tener importantes implicaciones para el futuro del procesamiento y la computación de datos.
Componentes electrónicos contemporáneos, que se basan tradicionalmente en la tecnología de semiconductores de silicio, se puede encender o apagar en picosegundos (es decir, 10 -12 segundos). Los teléfonos móviles y las computadoras estándar funcionan a frecuencias máximas de varios gigahercios (1 GHz =10 9 Hz) mientras que los transistores individuales pueden acercarse a un terahercio (1 THz =10 12 Hz). Desde entonces, el aumento de la velocidad a la que se pueden abrir o cerrar los dispositivos de conmutación electrónicos utilizando la tecnología estándar ha demostrado ser un desafío. Una serie reciente de experimentos, realizados en la Universidad de Konstanz y reportados en una publicación reciente en Física de la naturaleza —Demuestra que se puede inducir a los electrones a moverse a velocidades inferiores a los femtosegundos, es decir, más rápido que 10 -15 segundos, manipulándolos con ondas de luz adaptadas.
"Este puede ser el futuro lejano de la electrónica, "dice Alfred Leitenstorfer, Catedrático de Fenómenos Ultrarrápidos y Fotónica en la Universidad de Konstanz (Alemania) y coautor del estudio. "Nuestros experimentos con pulsos de luz de ciclo único nos han llevado al rango de attosegundos de transporte de electrones". La luz oscila a frecuencias al menos mil veces superiores a las alcanzadas por circuitos puramente electrónicos:un femtosegundo corresponde a 10 -15 segundos, que es la millonésima parte de una mil millonésima de segundo. Leitenstorfer y su equipo del Departamento de Física y el Centro de Fotónica Aplicada (CAP) de la Universidad de Konstanz creen que el futuro de la electrónica radica en dispositivos plasmónicos y optoelectrónicos integrados que operan en el régimen de un solo electrón en ópticas, en lugar de microondas. —Frecuencias. "Sin embargo, Esta es una investigación muy básica de la que estamos hablando aquí y puede llevar décadas implementarla. "advierte.
Una cuestión de controlar la luz y la materia.
El desafío para el equipo internacional de físicos teóricos y experimentales de la Universidad de Konstanz, la Universidad de Luxemburgo, CNRS-Université Paris Sud (Francia) y el Centro de Física de Materiales (CFM-CSIC) y el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) en San Sebastián (España) que colaboraron en este proyecto para desarrollar un montaje experimental para la manipulación de luz ultracorta. pulsos a escalas de femtosegundos por debajo de un solo ciclo de oscilación, por un lado, y crear nanoestructuras adecuadas para mediciones de alta precisión y manipulación de cargas electrónicas por el otro. "Afortunadamente para nosotros, tenemos instalaciones de primera clase a nuestra disposición aquí mismo en Konstanz, "dice Leitenstorfer, cuyo equipo realizó los experimentos. "El Centro de Fotónica Aplicada es una instalación líder en el mundo para el desarrollo de tecnología láser ultrarrápida. Y gracias a nuestro Centro de Investigación Colaborativa 767 Nanosistemas controlados:interacción e interfaz con la macroescala, tenemos acceso a nanoestructuras extremadamente bien definidas que se pueden crear y controlar a escala nanométrica ".
Interruptor de electrones ultrarrápido
La configuración experimental desarrollada por el equipo de Leitenstorfer y el autor coordinador Daniele Brida (ex líder de un grupo de investigación Emmy Noether en la Universidad de Konstanz, ahora profesor en la Universidad de Luxemburgo) involucró antenas de oro a nanoescala, así como un láser ultrarrápido capaz de emitir cien millones de pulsos de luz de ciclo único por segundo para generar una corriente medible. El diseño de pajarita de la antena óptica permitió una concentración espacio-temporal de sub-longitud de onda y subciclo del campo eléctrico del pulso láser en el espacio de un ancho de seis nm (1 nm =10 -9 metros).
Como resultado del carácter altamente no lineal del túnel de electrones fuera del metal y la aceleración sobre el espacio en el campo óptico, Los investigadores pudieron cambiar las corrientes electrónicas a velocidades de aproximadamente 600 attosegundos (es decir, menos de un femtosegundo, 1 como =10 -18 segundos). "Este proceso solo ocurre en escalas de tiempo de menos de la mitad de un período de oscilación del campo eléctrico del pulso de luz, "explica Leitenstorfer, una observación que los socios del proyecto en París y San Sebastián pudieron confirmar y trazar en detalle mediante un tratamiento dependiente del tiempo de la estructura cuántica electrónica acoplada al campo de luz.
El estudio abre oportunidades completamente nuevas para comprender cómo la luz interactúa con la materia condensada, permitiendo la observación de fenómenos cuánticos a escalas temporales y espaciales sin precedentes. Sobre la base del nuevo enfoque de la dinámica de electrones impulsado a nanoescala por campos ópticos que ofrece este estudio, Los investigadores pasarán a investigar el transporte de electrones en escalas de tiempo y longitud atómicos en dispositivos de estado sólido aún más sofisticados con dimensiones de picómetro.
