Исследователи, в том числе инженеры из Мичиганского университета, показали, что они могут контролировать пики в лазерных импульсах, а также искажать свет.Этот метод перемещает электроны быстрее и эффективнее, чем электрические токи, и надежно влияет на их квантовые состояния. «Это шаг к так называемой« световой электронике », а в более отдаленном будущем — к квантовым вычислениям, — сказал Маккилло Кира, профессор электротехники и информатики из Университета штата Мичиган, принимавший участие в исследовании.
Электроны, движущиеся через полупроводник в компьютере, например, иногда сталкиваются с другими электронами, выделяя энергию в виде тепла. Но концепция, называемая световой электроникой, предполагает, что электроны могут управляться сверхбыстрыми лазерными импульсами. В то время как высокая скорость в автомобиле увеличивает вероятность столкновения водителя с чем-либо, высокая скорость для электрона может сделать время в пути настолько коротким, что статистически маловероятно, что он что-нибудь ударит.
«За последние несколько лет мы и другие группы обнаружили, что осциллирующее электрическое поле ультракоротких лазерных импульсов действительно может перемещать электроны вперед и назад в твердых телах», — сказал Руперт Хубер, профессор физики из Университета Регенсбурга, руководивший экспериментом. «Все были немедленно взволнованы, потому что можно будет использовать этот принцип для создания компьютеров будущего, которые будут работать с беспрецедентной тактовой частотой — в 10–100 тысяч раз быстрее, чем современная электроника».Но сначала исследователи должны уметь управлять электронами в полупроводнике. Эта работа делает шаг к этой возможности за счет мобилизации групп электронов внутри полупроводникового кристалла с использованием терагерцового излучения — части электромагнитного спектра между микроволнами и инфракрасным светом.Исследователи направили лазерные импульсы на кристалл полупроводникового селенида галлия.
Эти импульсы были очень короткими и составляли менее 100 фемтосекунд, или 100 квадриллионных долей секунды. Каждый импульс поднимал электроны в полупроводнике на более высокий энергетический уровень — а это означало, что они могли свободно перемещаться — и уносил их вперед. Различная ориентация полупроводникового кристалла по отношению к импульсам означала, что электроны перемещались в разных направлениях через кристалл — например, они могли двигаться по атомным связям или между ними.«Различные энергетические ландшафты можно рассматривать как плоскую и прямую улицу для электронов в одном направлении кристалла, но для других это может больше походить на наклонную плоскость в сторону», — сказал Фабиан Лангер, докторант физики в Регенсбурге. «Это означает, что электроны больше не могут двигаться в направлении лазерного поля, но могут совершать собственное движение, диктуемое микроскопической средой».
Когда электроны излучали свет, спускаясь с более высокого энергетического уровня, их различные путешествия отражались в импульсах. Они испускали гораздо более короткие импульсы, чем входящее электромагнитное излучение. Эти вспышки света длились всего несколько фемтосекунд.Внутри кристалла они достаточно быстры, чтобы делать снимки других электронов, движущихся между атомами, и их также можно использовать для чтения и записи информации в электроны.
Для этого исследователи должны иметь возможность управлять этими импульсами, а кристалл предоставляет целый ряд инструментов.«Есть быстрые колебания, как пальцы в импульсе.
Мы можем очень легко изменить положение пальцев, поворачивая кристалл», — сказала Кира, чья группа работала с исследователями из Марбургского университета, Германия, над интерпретацией эксперимента Хубера.Кристалл также мог крутить исходящие световые волны или нет, в зависимости от его ориентации на входящие лазерные импульсы.
Поскольку фемтосекундные импульсы достаточно быстры, чтобы перехватить электрон между переходом в возбужденное состояние и выходом из этого состояния, они потенциально могут использоваться для квантовых вычислений с использованием электронов в возбужденных состояниях в качестве кубитов.«Например, здесь нам удалось запустить один электрон одновременно двумя путями возбуждения, что классически невозможно. Это квантовый мир.
В квантовом мире происходят странные вещи», — сказала Кира.Электрон достаточно мал, чтобы вести себя как волна, а также как частица — и когда он находится в возбужденном состоянии, его длина волны меняется. Поскольку электрон находился в двух возбужденных состояниях одновременно, эти две волны интерферировали друг с другом и оставляли отпечаток пальца в фемтосекундном импульсе, который испускал электрон.
«Этот настоящий квантовый эффект можно было увидеть в фемтосекундных импульсах как новые контролируемые частоты и направления колебаний», — сказал Кира. «Это, конечно, фундаментальная физика. С теми же идеями вы можете оптимизировать химические реакции. Вы можете получить новые способы хранения информации или безопасной передачи информации с помощью квантовой криптографии».
Хубер особенно заинтересован в стробоскопических камерах с замедленным движением, чтобы выявить некоторые из самых быстрых процессов в природе, такие как движение электронов внутри атомов.«Наши кристаллические твердые тела являются фантастическими источниками света в этой области — с беспрецедентными возможностями для формирования импульсов», — сказал он.Статья о работе под названием «Симметрично-управляемая временная структура полей носителей высоких гармоник из объемного кристалла» будет опубликована в журнале Nature Photonics.
Исследование финансируется Европейским исследовательским советом и Немецким исследовательским фондом.