量子物理学为电子学设定了速度限制

超短激光脉冲（蓝色）产生自由电荷载流子，另一个脉冲（红色）使它们向相反的方向加速。图片来源：TU Wien

电子产品的速度有多快？当计算机芯片使用越来越短的信号和时间间隔时，在某些时候它们会遇到物理限制。能够在半导体材料中产生电流的量子力学过程需要一定的时间。这限制了信号生成和信号传输的速度。

TU Wien（维也纳），TU Graz和位于Garching的Max Planck量子光学研究所现在已经能够探索这些极限：即使材料以激光脉冲以最佳方式激发，速度也绝对不能增加到超过一千太赫兹（一百万千兆赫兹）。这一结果现已发表在科学期刊《自然通讯》上。

领域和电流

电流和光（即电磁场）总是相互连接的。微电子学也是如此：在微芯片中，电力是在电磁场的帮助下控制的。例如，电场可以施加到晶体管上，并且根据电场是打开还是关闭，晶体管允许电流流动或阻塞它。通过这种方式，电磁场被转换为电信号。

为了测试电磁场转换为电流的极限，使用激光脉冲 - 最快，最精确的电磁场 - 而不是晶体管。

"研究的材料最初根本不导电，"维也纳工业大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释说。"这些都是由波长在极端紫外线范围内的超短激光脉冲击中的。这种激光脉冲将电子转移到更高的能级，因此它们可以突然自由移动。这样，激光脉冲在短时间内将材料变成电导体。一旦材料中存在自由移动的电荷载流子，它们就可以沿着一定方向移动一秒钟，稍长的激光脉冲。这会产生电流，然后可以使用材料两侧的电极进行检测。

这些过程发生得非常快，在阿托秒或飞秒的时间尺度上。"很长一段时间，这样的过程被认为是即时的，"Christoph Lemell教授（TU Wien）说。"然而，今天，我们有必要的技术来详细研究这些超快过程的时间演变。关键问题是：材料对激光的反应有多快？信号生成需要多长时间，需要等待多长时间才能使材料暴露于下一个信号？实验在加兴和格拉茨进行，理论工作和复杂的计算机模拟在维也纳工业大学完成。

时间或精力，但不是两者兼而有之

该实验导致了一个经典的不确定性困境，因为它经常发生在量子物理学中：为了提高速度，需要极短的紫外激光脉冲，以便非常快速地产生自由电荷载流子。然而，使用极短的脉冲意味着传递给电子的能量量没有被精确定义。电子可以吸收非常不同的能量。"我们可以准确地知道自由充电载体是在哪个时间点创建的，但不能知道它们处于哪种能量状态，"Christoph Lemell说。"固体具有不同的能带，并且对于短激光脉冲，其中许多不可避免地同时由自由电荷载流子填充。

根据它们携带的能量，电子对电场的反应完全不同。如果它们的确切能量未知，则不再可能精确控制它们，并且产生的电流信号会失真 - 特别是在高激光强度下。

"事实证明，大约一个petahertz是受控光电过程的上限，"Joachim Burgdörfer说。当然，这并不意味着有可能生产时钟频率略低于一 petahertz 的计算机芯片。现实的技术上限很可能要低得多。尽管决定光电子学最终速度极限的自然定律无法被超越，但现在可以用复杂的新方法对其进行分析和理解。