La física cuántica pone un límite de velocidad a la electrónica

La física cuántica pone un límite de velocidad a la electrónica


25 de marzo de 2022

(Noticias de Nanowerk) ¿Qué tan rápido puede ser la electrónica? Cuando los chips de computadora funcionan con señales e intervalos de tiempo cada vez más cortos, eventualmente alcanzan sus límites físicos. Los procesos mecánicos cuánticos que permiten que se genere corriente eléctrica en un material semiconductor toman una cierta cantidad de tiempo. Esto limita la velocidad de generación y transmisión de señales.

La Universidad Tecnológica de Viena, la Universidad Tecnológica de 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 es óptimo. excitado con pulsos de láser. Un pulso láser ultracorto (azul) crea portadores de carga libres, otro pulso (rojo) los acelera en direcciones opuestas Un pulso de láser ultracorto (azul) crea portadores de carga libres, otro pulso (rojo) los acelera en direcciones opuestas. (Imagen: Universidad Tecnológica de Viena)

Este resultado ha sido publicado ahora en la revista comunicación de la naturaleza («El límite de velocidad de la optoelectrónica»).

campos y corrientes

La electricidad y la luz (es decir, los campos electromagnéticos) siempre están conectadas. 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 o bloquea el flujo de corriente. De esta manera, un campo electromagnético se convierte en una señal eléctrica.

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

«Se están investigando materiales que inicialmente no conducen nada de electricidad», explica el Prof. Joachim Burgdörfer del Instituto de Física Teórica de la Universidad Tecnológica de Viena. “Estos son golpeados por un pulso láser ultracorto con una longitud de onda en el rango ultravioleta extremo. Este pulso láser pone a los electrones en un nivel de energía más alto, lo que les permite moverse repentinamente libremente en un conductor eléctrico por un corto tiempo».

Tan pronto como haya portadores de carga que se muevan libremente en el material, se pueden mover en una dirección específica mediante un segundo pulso láser ligeramente más largo. Esto crea una corriente eléctrica que luego se puede detectar con electrodos a ambos lados del material.

Estos procesos son extremadamente rápidos, en una escala de tiempo de attosegundos o femtosegundos. «Durante mucho tiempo, estos procesos se consideraron instantáneos», dice el profesor Christoph Lemell (Universidad Tecnológica de Viena). “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 antes de 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 en la Universidad Tecnológica de Viena.

Tiempo o energía, pero no ambos

El experimento conduce a un dilema de incertidumbre clásico que ocurre a menudo en la física cuántica: para aumentar la velocidad, se requieren pulsos de láser ultravioleta extremadamente cortos para que los portadores de carga libre se creen muy rápidamente. Sin embargo, el uso de pulsos extremadamente cortos implica que la cantidad de energía transferida a los electrones no está bien definida. Los electrones pueden absorber energías muy diferentes.

«Podemos decir exactamente cuándo 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 ocupados con 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 no se conoce su energía exacta, ya no se pueden controlar con precisión y la señal actual generada se distorsionará, especialmente con 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 velocidad de reloj de poco menos de un petahercio. Es probable que los límites superiores técnicos realistas sean significativamente más bajos. Si bien las leyes de la naturaleza que determinan los límites máximos de velocidad de la optoelectrónica no se pueden engañar, ahora se pueden analizar y comprender utilizando métodos nuevos y sofisticados.



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