Sue Xiao • 2022-03-29 19:38:20　来源：前瞻网　E267G0

电子产品的速度可以有多快？当计算机芯片的信号时间间隔越来越短时，在某些方面它们会遇到物理极限。在半导体材料中产生电流的量子-机械过程需要一定的时间，这对信号产生和信号传输的速度造成了限制。

维也纳大学（TU Wien）、格拉茨大学和马克斯-普朗克量子光学研究所现在已经能够探索这些极限。

即使材料以最佳的状态被激光脉冲激发，其速度也绝对不能超过1PHz（100万GHz）。这一结果现在已经发表在科学杂志《自然通讯》上。

电流和光（即电磁场）总是相互关联的。这也是微电子学的情况。在微芯片中，电力是在电磁场的帮助下控制的。例如，一个电场可以应用于一个晶体管，根据电场的开启或关闭，晶体管要么允许电流流动，要么阻止电流。通过这种方式，电磁场被转换为电信号。

为了测试这种将电磁场转换为电流的极限，科学家使用了激光脉冲--现有最快、最精确的电磁场，而不是晶体管。

来自维也纳大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释说：“我们研究的材料最初根本不导电。这些材料被一个波长在紫外范围内的超短激光脉冲击中。这个激光脉冲将电子转移到一个更高的能级，这样它们就能突然自由移动。这样一来，激光脉冲在短时间内将材料变成了电导体。只要材料中存在自由移动的电荷载流子，它们就能被第二个稍长的激光脉冲向某个方向移动。这就产生了电流，然后可以用材料两边的电极进行检测。”

这些过程发生得非常快，在飞秒的时间尺度上。在很长一段时间里，这种过程被认为是瞬间发生的。然而，关键问题是：材料对激光的反应有多快？信号的产生需要多长时间，以及在材料可以接触到下一个信号之前需要等待多长时间？

该实验导致了一个典型的不确定性困境，这在量子物理学中经常发生：为了提高速度，需要极短的紫外激光脉冲，这样自由电荷载流子就会很快产生。然而，使用极短的脉冲意味着转移到电子上的能量并没有精确定义。电子可以吸收非常不同的能量。

根据它们携带的能量的多少，电子对电场的反应相当不同。如果它们的确切能量未知，就不再可能精确地控制它们，而且产生的电流信号会被扭曲--特别是在高激光强度下。

Joachim Burgdörfer说：“事实证明，大约1PHz是受控光电过程的上限。然而，这并不意味着有可能生产出频率略低于1PHz的计算机芯片，现代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法则不能被超越，但现在可以用复杂的新方法对其进行分析和理解。”

该研究论文题为" The speed limit of optoelectronics"，已发表在《自然·通讯》期刊上。

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论文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29252-1

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