Erster Fototransistor mit Petahertz-Geschwindigkeit funktioniert unter Umgebungsbedingungen

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Mohammed Hassan (rechts), außerordentlicher Professor für Physik und optische Wissenschaften, und Mohamed Sennary, ein Doktorand, der Optik und Physik studiert, halten den kommerziellen Transistor in der Hand, mit dem sie einen Transistor mit Petahertz-Geschwindigkeit entwickelt haben. (Bild:Die Forscher)

Was wäre, wenn ultraschnelle Lichtimpulse Computer mit einer Geschwindigkeit betreiben könnten, die eine Million Mal schneller ist als die der besten Prozessoren von heute? Ein Team von Wissenschaftlern, darunter Forscher der University of Arizona, arbeitet daran, dies zu ermöglichen.

In einer bahnbrechenden internationalen Anstrengung haben Forscher der Fakultät für Physik des College of Science und des James C. Wyant College of Optical Sciences eine Möglichkeit aufgezeigt, Elektronen in Graphen mithilfe von Lichtimpulsen zu manipulieren, die weniger als eine Billionstelsekunde dauern. Durch die Nutzung eines Quanteneffekts namens Tunneln zeichneten sie Elektronen auf, die fast augenblicklich eine physikalische Barriere umgingen, eine Leistung, die die potenziellen Grenzen der Rechenleistung von Computern neu definierte.

Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie hebt hervor, wie die Technik zu Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Petahertz-Bereich führen könnte – über 1.000 Mal schneller als moderne Computerchips.

Das Versenden von Daten mit dieser Geschwindigkeit würde die Datenverarbeitung, wie wir sie kennen, revolutionieren, sagte Mohammed Hassan, außerordentlicher Professor für Physik und optische Wissenschaften. Hassan beschäftigt sich seit langem mit lichtbasierter Computertechnologie und leitete zuvor die Bemühungen zur Entwicklung des schnellsten Elektronenmikroskops der Welt.

„Wir haben einen großen Fortschritt in der Entwicklung von Technologien wie Software für künstliche Intelligenz erlebt, aber die Geschwindigkeit der Hardware-Entwicklung nimmt nicht so schnell zu“, sagte Hassan. „Aber indem wir uns auf die Entdeckung von Quantencomputern stützen, können wir Hardware entwickeln, die der aktuellen Revolution in der Informationstechnologie-Software gerecht wird. Ultraschnelle Computer werden Entdeckungen in der Weltraumforschung, Chemie, im Gesundheitswesen und mehr erheblich unterstützen.“

Hassan arbeitete mit den U of A-Kollegen Nikolay Golubev zusammen, einem Assistenzprofessor für Physik; Mohamed Sennary, ein Doktorand, der Optik und Physik studiert; Jalil Shah, ein Postdoktorand der Physik; und Mingrui Yuan, ein Optik-Doktorand. Zu ihnen gesellten sich Kollegen vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology und der Ludwig-Maximilians-Universität München in Deutschland.

Das Team untersuchte ursprünglich die elektrische Leitfähigkeit von modifizierten Graphenproben, einem Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Wenn ein Laser auf Graphen scheint, regt die Energie des Lasers Elektronen im Material an, wodurch sie sich bewegen und einen Strom bilden.

Manchmal heben sich diese elektrischen Ströme gegenseitig auf. Hassan sagte, dies geschehe, weil sich die Energiewelle des Lasers auf und ab bewegt und auf beiden Seiten des Graphens gleiche und entgegengesetzte Ströme erzeugt. Aufgrund der symmetrischen Atomstruktur von Graphen spiegeln sich diese Ströme gegenseitig und heben sich gegenseitig auf, sodass kein erkennbarer Strom zurückbleibt.

Aber was wäre, wenn ein einzelnes Elektron durch das Graphen schlüpfen könnte und seine Reise in Echtzeit eingefangen und verfolgt werden könnte? Dieses fast augenblickliche „Tunneln“ war das unerwartete Ergebnis der Modifikation verschiedener Graphenproben durch das Team.

„Das ist es, was ich an der Wissenschaft am meisten liebe:Die wirkliche Entdeckung kommt von den Dingen, von denen man nicht erwartet, dass sie passieren“, sagte Hassan. „Wenn man ins Labor geht, antizipiert man immer, was passieren wird – aber die wahre Schönheit der Wissenschaft sind die kleinen Dinge, die passieren, die einen dazu veranlassen, weiter zu forschen. Als uns klar wurde, dass wir diesen Tunneleffekt erreicht hatten, mussten wir mehr herausfinden.“

Mithilfe eines kommerziell erhältlichen Graphen-Fototransistors, der so modifiziert wurde, dass er eine spezielle Siliziumschicht einführte, verwendeten die Forscher einen Laser, der sich mit einer Geschwindigkeit von 638 Attosekunden ein- und ausschaltet, um das zu schaffen, was Hassan als „schnellsten Petahertz-Quantentransistor der Welt“ bezeichnete.

Ein Transistor ist ein Gerät, das als elektronischer Schalter oder Verstärker fungiert, der den Stromfluss zwischen zwei Punkten steuert und für die Entwicklung moderner Elektronik von grundlegender Bedeutung ist.

„Zum Vergleich:Eine einzelne Attosekunde ist ein Trillionstel einer Sekunde“, sagte Hassan. „Das bedeutet, dass diese Errungenschaft einen großen Fortschritt in der Entwicklung ultraschneller Computertechnologien durch die Realisierung eines Transistors mit Petahertz-Geschwindigkeit darstellt.“

Während einige wissenschaftliche Fortschritte unter strengen Bedingungen, einschließlich Temperatur und Druck, erzielt werden, funktionierte dieser neue Transistor unter Umgebungsbedingungen – was den Weg für die Kommerzialisierung und den Einsatz in der Alltagselektronik ebnete.

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