¿Qué tan rápido puede ser la electrónica? Cuando los chips de computadora funcionan con señales e intervalos de tiempo cada vez más cortos, en algún momento se topan con límites físicos. Los procesos de mecánica cuántica que permiten la generación de corriente eléctrica en un material semiconductor toman una cierta cantidad de tiempo. Esto pone un límite a la velocidad de generación y transmisión de señales.

TU Wien (Viena), TU Graz y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ahora han podido explorar estos límites:la velocidad definitivamente no se puede aumentar más allá de un petahercio (un millón de gigahercios), incluso si el material está excitado en una forma óptima con pulsos láser. Este resultado se ha publicado ahora en la revista científica Nature Communications .

Campos y corrientes

La corriente eléctrica y la luz (es decir, los campos electromagnéticos) siempre están interrelacionadas. Este también es el caso de la microelectrónica:en los microchips, la electricidad se controla con la ayuda de campos electromagnéticos. Por ejemplo, se puede aplicar un campo eléctrico a un transistor y, dependiendo de si el campo está activado o desactivado, el transistor permite que fluya la corriente eléctrica o la bloquea. De esta forma, un campo electromagnético se convierte en una señal eléctrica.

Para probar los límites de esta conversión de campos electromagnéticos en corriente, se utilizan pulsos de láser, los campos electromagnéticos más rápidos y precisos disponibles, en lugar de transistores.

"Se estudian materiales que inicialmente no conducen la electricidad en absoluto", explica el Prof. Joachim Burgdörfer del Instituto de Física Teórica de TU Wien. "Estos son golpeados por un pulso láser ultracorto con una longitud de onda en el rango ultravioleta extremo. Este pulso láser cambia los electrones a un nivel de energía más alto, para que puedan moverse libremente de repente. De esa manera, el pulso láser convierte el material en un conductor eléctrico por un corto período de tiempo". Tan pronto como haya portadores de carga que se muevan libremente en el material, se pueden mover en una dirección determinada mediante un segundo pulso de láser un poco más largo. Esto crea una corriente eléctrica que luego se puede detectar con electrodos en ambos lados del material.

Estos procesos ocurren extremadamente rápido, en una escala de tiempo de atto o femtosegundos. "Durante mucho tiempo, estos procesos se consideraron instantáneos", dice el profesor Christoph Lemell (TU Wien). “Hoy, sin embargo, contamos con la tecnología necesaria para estudiar en detalle la evolución temporal de estos procesos ultrarrápidos”. La pregunta crucial es:¿Qué tan rápido reacciona el material al láser? ¿Cuánto tarda la generación de la señal y cuánto hay que esperar hasta que el material pueda exponerse a la siguiente señal? Los experimentos se llevaron a cabo en Garching y Graz, el trabajo teórico y las complejas simulaciones por computadora se realizaron en TU Wien.

Tiempo o energía, pero no ambos

El experimento conduce a un dilema de incertidumbre clásico, como ocurre a menudo en la física cuántica:para aumentar la velocidad, se necesitan pulsos de láser ultravioleta extremadamente cortos, por lo que los portadores de carga libres se crean muy rápidamente. Sin embargo, el uso de pulsos extremadamente cortos implica que la cantidad de energía que se transfiere a los electrones no está definida con precisión. Los electrones pueden absorber energías muy diferentes. "Podemos decir exactamente en qué momento se crean los portadores de carga gratuitos, pero no en qué estado de energía se encuentran", dice Christoph Lemell. "Los sólidos tienen diferentes bandas de energía y, con pulsos de láser cortos, muchos de ellos están inevitablemente poblados por portadores de carga gratuitos al mismo tiempo".

Según la cantidad de energía que transportan, los electrones reaccionan de manera muy diferente al campo eléctrico. Si se desconoce su energía exacta, ya no es posible controlarlos con precisión y la señal de corriente que se produce se distorsiona, especialmente a intensidades de láser altas.

"Resulta que alrededor de un petahercio es el límite superior para los procesos optoelectrónicos controlados", dice Joachim Burgdörfer. Por supuesto, esto no significa que sea posible producir chips de computadora con una frecuencia de reloj de poco menos de un petahercio. Los límites superiores técnicos realistas probablemente sean considerablemente más bajos. Aunque las leyes de la naturaleza que determinan los límites máximos de velocidad de la optoelectrónica no se pueden burlar, ahora se pueden analizar y comprender con métodos nuevos y sofisticados. + Explora más

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