Komponenty soudobé elektroniky, která je tradičně založená na křemíkových polovodičích, mohou být přepnuty rychlostí v řádu pikosekund, tj. 10-12 sekundy. Standardní chytré telefony a počítače pracují na frekvencích maximálně pár gigahertzů, čili miliard hertzů. Jednotlivé tranzistory uvnitř elektroniky přitom mohou dosáhnout frekvencí kolem 1 terahertzu, tedy 1012 hertzů. Další zrychlení fungování elektronických komponent se ukázalo být pořádně tvrdým oříškem.
Nedávno tento oříšek rozlouskl tým německé Universität Konstanz, jejichž výzkum publikoval časopis Nature Physics. Alfred Leitenstorfer a jeho spolupracovníci experimentálně prokázali, že pomocí upravených světelných vln je možné manipulovat s elektrony tak, aby se rozpohybovaly v řádu méně než femtosekund, čili rychleji, než 10-15 sekundy. Jde o zásadní průlom, který by mohl mít značný význam pro vývoj budoucí elektroniky všeho druhu.
Podle Leitenstorfera by právě tohle mohla být budoucnost elektroniky. Badatelé využili toto, že světlo, tedy fotony, oscilují na frekvencích minimálně tisíckrát vyšších, než jaké mohou dosáhnout čistě elektronické obvody. Leitenstorfer je přesvědčený, že by v budoucnu mohla vzniknout integrovaná elektronická zařízení, která budou zahrnovat plazmonické a optoelektronické technologie, schopné operovat na frekvencích optického záření. Leitenstorfer zároveň upozorňuje, že jejich tým zatím dělá jen velmi základní výzkum, a že by to ještě mohlo trvat celé desítky let, než se dočká uplatnění v praxi.
Experimenty Leitenstorferova týmu zahrnovaly optické nanoantény ze zlata a ultrarychlý laser, který dokáže vyzářit 100 milionů pulzů za sekundu. Design antény dovolil badatelům koncentrovat elektrické pole laserového pulzu vhodným způsobem do oblasti o šířce 6 nanometrů. Díky tomuto experimentálnímu uspořádání se jim podařilo přepínat elektronické proudy za zhruba 600 attosekund. To odpovídá méně než 1 femtosekundě. Celý proces přepnutí se odehraje za méně než polovinu periody oscilace elektrického pole laserového pulzu.
Tento výzkum otevírá nové příležitosti pro výzkum a pochopení toho, jak světlo interaguje s hmotou. Nabízí přitom pozorování kvantových fenoménů v nevídaném časovém a prostorovém rozlišení. Vědci teď budou moci studovat pohyby elektronů v sofistikovaných zařízeních z pevných materiálů, v měřítku pikometrů.
Literatura
Universität Konstanz 23. 12. 2019, Nature Physics online 23. 12. 2019.