Eerste Petahertz-Speed-fototransistor werkt in omgevingsomstandigheden

Elektronica en sensoren INSIDER

Mohammed Hassan (rechts), universitair hoofddocent natuurkunde en optische wetenschappen, en Mohamed Sennary, een afgestudeerde student die optica en natuurkunde studeert, met de commerciële transistor in hun handen die ze gebruikten om een transistor met petahertz-snelheid te ontwikkelen. (Afbeelding:de onderzoekers)

Wat als ultrasnelle lichtpulsen computers een miljoen keer sneller zouden kunnen laten werken dan de beste processors van vandaag? Een team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Arizona, werkt eraan om dat mogelijk te maken.

In een baanbrekende internationale inspanning hebben onderzoekers van het Department of Physics van het College of Science en het James C. Wyant College of Optical Sciences een manier gedemonstreerd om elektronen in grafeen te manipuleren met behulp van lichtpulsen die minder dan een biljoenste van een seconde duren. Door gebruik te maken van een kwantumeffect dat bekend staat als tunneling, registreerden ze elektronen die vrijwel onmiddellijk een fysieke barrière omzeilden, een prestatie die de potentiële grenzen van de computerverwerkingskracht opnieuw definieert.

Een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications benadrukt hoe de techniek zou kunnen leiden tot verwerkingssnelheden in het petahertz-bereik – meer dan 1000 keer sneller dan moderne computerchips.

Het verzenden van gegevens met die snelheden zou een revolutie teweegbrengen in het computergebruik zoals wij dat kennen, zegt Mohammed Hassan, universitair hoofddocent natuurkunde en optische wetenschappen. Hassan is al lang bezig met op licht gebaseerde computertechnologie en leidde eerder inspanningen om de snelste elektronenmicroscoop ter wereld te ontwikkelen.

"We hebben een enorme sprong voorwaarts gemaakt in de ontwikkeling van technologieën zoals software voor kunstmatige intelligentie, maar de snelheid van de hardwareontwikkeling gaat niet zo snel", aldus Hassan. "Maar door te steunen op de ontdekking van kwantumcomputers kunnen we hardware ontwikkelen die past bij de huidige revolutie in informatietechnologiesoftware. Ultrasnelle computers zullen een grote bijdrage leveren aan ontdekkingen op het gebied van ruimteonderzoek, scheikunde, gezondheidszorg en meer."

Hassan werkte samen met U of A-collega's Nikolay Golubev, een assistent-professor in de natuurkunde; Mohamed Sennary, een afgestudeerde student die optica en natuurkunde studeert; Jalil Shah, een postdoctoraal natuurkundige; en Mingrui Yuan, een afgestudeerde student optica. Ze werden vergezeld door collega's van het Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology en de Ludwig Maximilian Universiteit van München in Duitsland.

Het team bestudeerde oorspronkelijk de elektrische geleidbaarheid van gemodificeerde monsters van grafeen, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Wanneer een laser op grafeen schijnt, exciteert de energie van de laser elektronen in het materiaal, waardoor ze bewegen en een stroom vormen.

Soms heffen die elektrische stromen elkaar op. Hassan zei dat dit gebeurt omdat de energiegolf van de laser op en neer beweegt en aan weerszijden van het grafeen gelijke en tegengestelde stromen genereert. Vanwege de symmetrische atomaire structuur van grafeen spiegelen deze stromen elkaar en heffen ze elkaar op, waardoor er geen detecteerbare stroom overblijft.

Maar wat als een enkel elektron door het grafeen zou kunnen glippen en zijn reis in realtime zou kunnen worden vastgelegd en gevolgd? Dat vrijwel onmiddellijke "tunnelen" was het onverwachte resultaat van het aanpassen van verschillende grafeenmonsters door het team.

"Dat vind ik het leukste aan wetenschap:de echte ontdekking komt van de dingen waarvan je niet verwacht dat ze zullen gebeuren", zei Hassan. "Als je het laboratorium binnengaat, anticipeer je altijd op wat er zal gebeuren - maar de echte schoonheid van de wetenschap zijn de kleine dingen die gebeuren die je ertoe aanzetten verder te onderzoeken. Toen we eenmaal beseften dat we dit tunneleffect hadden bereikt, moesten we meer te weten komen."

Met behulp van een in de handel verkrijgbare grafeenfototransistor die was aangepast om een speciale siliciumlaag te introduceren, gebruikten de onderzoekers een laser die aan- en uitschakelt met een snelheid van 638 attoseconden om wat Hassan 'de snelste petahertz-kwantumtransistor ter wereld' noemde, te creëren.

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

"Ter referentie:een enkele attoseconde is een duizendste van een seconde", zei Hassan. "Dat betekent dat deze prestatie een grote sprong voorwaarts betekent in de ontwikkeling van ultrasnelle computertechnologieën door de realisatie van een transistor met petahertz-snelheid."

Hoewel sommige wetenschappelijke ontwikkelingen plaatsvinden onder strikte omstandigheden, waaronder temperatuur en druk, presteerde deze nieuwe transistor onder omgevingsomstandigheden, wat de weg vrijmaakte voor commercialisering en gebruik in alledaagse elektronica.

Bron