Excitația electronică acționată de lumină reprezintă piatra de temelie pentru procesul de transfer al energiei și informațiilor. În interacțiunea câmpurilor luminoase intense și ultrarapide cu corpurile solide, electronii pot fi excitați ireversibil sau doar tranzitoriu pe perioada iluminării. Deoarece populația tranzitorie de electroni nu poate fi observată după dispariția semnalului luminos, aceasta este denumită drept “virtuală”, în timp ce populația care rămâne excitată chiar și după dispariția semnalului luminos este denumită drept “reală”. Purtătorii virtuali de sarcină au fost, recent, asociați cu fenomenul de generare de armonici ridicate (proces neliniar în timpul căruia o țintă este iluminată de un impuls laser intens, eșantionul emițând armonice ridicate ale fasciculului de generație) și cu absorbție tranzitorie.
Generarea de fotocurenți poate proveni atât de la purtătorii de sarcină reali, cât și de la cei virtuali. Cu toate acestea, lipsește o legătură între generarea tipurilor de purtători (reali, respectiv virtuali) și importanța lor pentru observabilele (mărimi fizice ce pot fi măsurate) cu relevanță tehnologică. Într-un studiu postat în prestigioasa revistă Nature, un grup de cercetători a încercat să demonstreze că purtătorii reali de sarcină și cei virtuali pot fi excitați în generarea optică de curenți și apoi despărțiți într-o heterostructură de aur-grafen-aur cu ajutorul impulsurilor laser ultrascurte. În funcție de forma de undă utilizată pentru fotoexcitație, purtătorii reali primesc impulsuri nete și se propagă către electrozi ide aur, în timp ce purtătorii virtuali generează un răspuns de polarizare citit la interfețele aur-grafen.
Pe baza acestui comportament specific, cercetătorii au demonstrat dovada, cel puțin conceptuală și teoretică, a unei “porți logice” care deschide noi posibilități în ceea ce privește domeniul electronic bazat pe unde luminoase. De asemenea, rezultatele obținute de către echipa de cercetători oferă un mijloc direct de monitorizare și excitare a purtătorilor reali și virtuali de sarcină, ceea ce înseamnă că posibilitatea de control individual asupra fiecărui tip de purtător va mări considerabil spațiul de proiectare a circuitelor integrate și va aduce procesarea semnalelor petahertziene (PHz, 1015 Hz) mai aproape de realitate.
Ilustrație a structurii de aur și grafen în care undele de electroni provenite de la sarcinile reale și virtuale sunt direcționate cu două impulsuri laser ultrarapide. Efectul combinat poate fi utilizat într-o poartă logică ultrarapidă (en. logic gate). O poartă logică este un dispozitiv electronic numeric elementar care implementează o funcție logică abstractă elementară. Porțile logice sunt structurile de bază ce permit realizarea unor funcții logice și matematice mult mai complexe, raportate la funcționalitatea circuitelor digitale integrate.
Simularea modelelor științifice complexe pe calculator sau procesarea unor volume foarte mari de date, cum ar fi editarea de materiale video, necesită o putere mare de procesare și presupun o cantitate considerabilă de timp. Cercetătorii de la Catedra de Fizică a Laserilor de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) și o echipă de la Universitatea Rochester din New York au demonstrat cum ar putea fi îmbunătățită (în sensul creșterii) în viitor viteza operațiunilor fundamentale de calcul cu viteze de până la un milion de ori mai mari, utilizând impulsurile laser pentru procesarea ultrarapidă a semnalelor. Rezultatele obținute sunt prezentate, pe scurt, mai sus, ceea ce certifică faptul că aceștia au reușit să ducă la bun sfârșit experimentele pe care și le-au propus, în vederea obținerii unor noi mijloace revoluționare în domeniul vitezei tehnologiei.
Viteza de calcul a procesoarelor computerelor și smartphone-urilor de astăzi este asigurată de către tranzistorii cu efect de câmp. În competiția permanentă a marilor branduri de a produce dispozitive cât mai rapide și performante, dimensiunea acestor tranzistori este în mod constant redusă pentru a încadra cât mai mulți laolaltă pe diferitele cipuri. Calculatoarele moderne funcționează deja cu viteze uluitoare de câțiva gigahertzi (GHz, 109 Hz), ceea ce se traduce prin posibilitatea de a efectua câteva miliarde de operații de calcul pe secundă. Cei mai noi tranzistori măsoară doar 5 nanometri (1 nm = 10-9 metri, adică 0,00005 milimetri), dar există limite privitoare la până unde vor putea ajunge producătorii de cipuri și, la un moment dat, nu va mai fi posibilă construirea de tranzistori mai mici. Așadar, este nevoie de puteri și mai mari.
În ziua de astăzi, fizicienii lucrează din greu pentru a controla electronica folosindu-se de undele luminoase. Oscilația unei unde luminoase durează aproximativ o femtosecundă (1 femtosecundă = 10-15 s), ceea ce înseamnă că posibilitatea de control a semnalelor electrice cu ajutorul luminii ar putea face ca dispozitivele, computerele viitorului să fie de peste un milion de ori mai rapide, acesta fiind, de fapt, și scopul procesării semnalelor petahertz (PHz) sau al electronicii care utilizează unde luminoase. Electronica este concepută pentru a transfera și prelucra semnale și date sub formă de informații logice, folosind sistemul binar (1, 0). Aceste semnale pot lua, de asemenea, forma unor impulsuri de curent, cu manifestare proprie.
Cercetătorii de la Catedra de Fizică a Laserilor au investigat timp de mai mulți ani modul în care undele luminoase ar putea fi convertite, prin procedee specifice, în impulsuri de curent. În experimentele pe care le-au susținut, cercetătorii au iluminat o structură de grafen și electrozi de aur cu impulsuri laser ultrascurte. Impulsurile laser ultrascurte folosite au indus unde electronice în grafen, unde ale căror traiectorie urma deplasarea spre electrozii de aur, unde au fost măsurate ca impulsuri de curente, ceea ce înseamnă că pot fi procesate drept informații. În funcție de locul în care impulsul laser atinge suprafața, undele electronice se răspândesc și dispersează diferit. Acest lucru creează două tipuri de impulsuri de curent, cunoscute, după cum am zis, sub numele de “sarcini reale” “sarcini virtuale”, fiecare cu comportament specific.
“Imaginați-vă că grafenul este o piscină, iar electrozii de aur sunt bazine de revăsare. Atunci când suprafața apei este perturbată, o parte din apă se revarsă din piscină, dă pe afară. Sarcinile reale sunt ca și cum ai arunca o piatră în mijlocul bazinului. Apa se va revărsa imediat ce valul creat va ajunge la marginea bazinului, la fel ca electronii excitați de un puls laser în mijlocul grafenului”, a e xplicat Tobias Boolakee, autorul principal al studiului și cercetător la Catedra de Fizică a Laserilor. “Încărcăturile virtuale sunt ca și cum am amortiza valurile. În cazul electronilor, acest lucru se întâmplă atât de repede încât nici nu poate fi perceput, iar în acest scenariu, impulsul laser ar fi direcționat către marginea grafenului, chiar lângă electrozii de aur”. Atât sarcinile virtuale, cât și cele reale, pot fi interpretate drept o logică binară (0 sau 1).
Prin rezultatele obținute în urma experimentelor puse la cale, fizicienii de la FAU au reușit să demonstreze, pentru prima dată, că această metodă poate fi folosită pentru a opera o poartă logică – un element cheie în procesoarele de calculator. Partea logică reglează modul în care sunt procesate informațiile binare primite, 0 și 1. Poarta are nevoie de două semnale de intrare, reprezentate aici de undele electronice provenite de la sarcinile reale, respectiv sarcinile virtuale, excitate de două impulsuri laser sincronizate. În funcție de direcția și intensitatea celor două unde, impulsul de curent rezultat fie este fie agregat (suprapus, cumulat), fie șters, amortizat. Este necesar să ne reamintim faptul că semnalul electric pe care îl măsoară fizicienii poate fi interpretat ca o logică binară, în sistem 0 și 1.
“Acesta reprezintă un exemplu excelent al modului în care cercetările în domeniu pot duce la dezvoltarea de noi tehnologii revoluționare, care pot avea un impact fenomenal asupra vieții noastre cotidiene. Prin intermediul teoriei fundamentale și a conexiunii acesteia cu experimentele practice, aplicând cunoștințele pur teoretice, am descoperit rolul sarcinilor reale și virtuale, ceea ce a dat undă verde posibilității de a crea, de ce nu, porți logice ultrarapide”, a declarat Ignacio Franco de la Universitatea din Rochester. “Probabil că va trece foarte mult timp până când această tehnologie va putea fi folosită pe un cip de calculator. Dar, cel puțin, măcar știm că domeniul electronicii care folosește unde luminoase este unul posibil, iar tehnologia este fezabilă”, a mai adăugat Tobias Boolakee, care a făcut parte din proiect.
Nu putem să nu apreciem cât de multe eforturi depun oamenii de știință în încercarea de a oferi alternative nu doar noi, ci și revoluționare, urmărind tendințele actuale în domeniu: necesitatea vitală de viteze mai mari de procesare, de calcul, tehnologii de ultimă generație pentru a ne adapta secolului vitezei în care trăim. Din ideea de a dezvolta și chiar descoperi astfel de tehnologii, oamenii de știință investesc sute de ore de muncă în lucruri care, deseori, se dovedesc a nu fi avut nicio finalitate practică. Însă este vorba despre a încerca, despre a demonta sau demonstra o anumită teorie, de a obține o serie de rezultate viabile sau, dimpotrivă, de a nu obține niciunul. Într-un astfel de domeniu, de multe ori este vorba despre rezultate care au aplicabilitate doar în teorie. Și de și mai multe ori, găsirea unui răspund ridică, de fapt, și mai multe întrebări. Dar, asta-i partea faină la știință, nu? Cât de efervescentă și inaccesibilă poate, uneori, să fie! Suntem curioși care este părerea ta privitoare la rezultatele obținute de cercetători. Scrie-ne în secțiunea de comentarii și, dacă ai neclarități, nu ezita să ne adresezi întrebări!
