Eerste petahertz-snelheid fototransistor werkt in omgevingsomstandigheden

Wat als ultrakorte pulsen van licht computers kunnen laten werken met snelheden een miljoen keer sneller dan de beste processoren van vandaag? Een team wetenschappers, inclusief onderzoekers van de University of Arizona, werkt aan het realiseren van die mogelijkheid.

Quantum tunneling in grafene

In een breekbare internationale inspanning hebben onderzoekers van de Department of Physics in de College of Science en de James C. Wyant College of Optical Sciences een manier gedemonstreerd om elektronen in grafene te manipuleren met pulsen van licht die minder dan een biljoenste van een seconde duren. Door gebruik te maken van een kwantumeffect bekend als tunneling, registreerden ze elektronen die een fysieke barrière bijna instantane overschreden, een prestatie die de potentiële grenzen van computerverwerkingskracht herdefinieert.

Een studie gepubliceerd in Nature Communications benadrukt hoe de techniek kan leiden tot verwerkingssnelheden in het petahertz-bereik — meer dan 1.000 keer sneller dan moderne computerchips.

Impact op computing

"Data verzenden op die snelheden zou computing zoals we het kennen revolutioneren," aldus Mohammed Hassan, associate professor van physics and optical sciences. Hassan heeft lang licht-gebaseerde computerthechnologie achterna gezeten en leidde eerdere inspanningen om de terwereld snelste elektronenmicroscoop te ontwikkelen.

"We hebben een enorme sprong voorwaarts ervaren in de ontwikkeling van technologieën zoals kunstmatige intelligentie software, maar de snelheid van hardware-ontwikkeling beweegt niet zo snel," aldus Hassan. "Maar, door te steunen op de ontdekking van kwantumcomputers, kunnen we hardware ontwikkelen die overeenkomt met de huidige revolutie in informatiethechnologie software. Ultrasnelle computers zullen ontdekkingen in ruimtevaartonderzoek, chemie, gezondheidszorg, en meer ten goede komen."

Ontdekking van tunneling-effect

Het team bestudeerde oorspronkelijk de elektrische geleiding van gemodificeerde monsters van grafene, een materiaal samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen. Wanneer een laser op grafene schijnt, opwekt de energie van de laser elektronen in het materiaal, wat ze laat bewegen en een stroom vormt. Soms heffen die elektrische stromen elkaar op. Hassan zegt dat dit gebeurt omdat de energiegolf van de laser op en neer gaat, wat gelijke en tegengestelde stromen aan weerskanten van de grafene genereert. Vanwege de symmetrische atoomstructuur van grafene, spiegelen deze stromen elkaar en heffen ze elkaar op, wat resulteert in geen detecteerbare stroom.

Maar wat als een enkel elektron door de grafene kon glijden, en zijn reis vastgelegd en getracked kon worden in real-time? Die near-instant "tunneling" was het onverwachte resultaat van het team die verschillende grafene-monsters modificeerde.

"Dat is wat ik het meest aan wetenschap hou: De echte ontdekking komt van de dingen die je niet verwacht te gebeuren," aldus Hassan. "Naar het lab gaan, anticipeer je altijd wat er zal gebeuren — maar de echte schoonheid van wetenschap is de kleine dingen die gebeuren die je leiden om verder te onderzoeken. Zodra we realiseerden dat we dit tunneling-effect hadden bereikt, moesten we er meer over te weten komen."

Petahertz quantum transistor

Met een commercieel beschikbare grafene fototransistor die gemodificeerd was om een specifieke siliciumlaag te introduceren, gebruikten de onderzoekers een laser die uitzet en aanzet met een snelheid van 638 attoseconden om wat Hassan noemde "de terwereld snelste petahertz quantum transistor" te creëren.

Een transistor is een apparaat dat fungeert als een elektronische schakelaar of versterker die de stroom van elektriciteit tussen twee punten regelt en fundamenteel is voor de ontwikkeling van moderne elektronica.

"Als referentie, een enkele attoseconde is één-kwintiljoenste van een seconde," aldus Hassan. "Dat betekent dat deze prestatie een grote sprong voorwaarts vertegenwoordigt in de ontwikkeling van ultrasnelle computerthechnologieën door een petahertz-snelheid transistor te realiseren."

Werkt in omgevingsomstandigheden

Terwijl sommige wetenschappelijke vooruitgang plaatsvindt onder strenge omstandigheden, inclusief temperatuur en druk, presteerde deze nieuwe transistor in omgevingsomstandigheden — wat de weg opent voor commercialisatie en gebruik in alledaagse elektronica.

Bron: University of Arizona