量子物理学为电子学设定了速度限制

江苏激光联盟导读：

电子产品能有多快？当计算机芯片以更短的信号和时间间隔工作时，在某一时刻，它们会遇到物理极限。使半导体材料产生电流的量子力学过程需要一定的时间。这就限制了信号产生和传输的速度。

一个超短的激光脉冲(蓝色)产生自由载流子，另一个脉冲(红色)向相反的方向加速它们。来源：TU Wien

TU Wien (维也纳), TU Graz和 Garching的Max Planck量子光学研究所现在已经能够探索这些极限:速度绝对不能超过1petahertz（100万千兆赫兹），即使用激光脉冲以最佳方式激发材料。这一结果现已发表在科学期刊《自然通讯》上。

磁场和洋流

电流和光（即电磁场）总是相互关联的。微电子学也是如此：在微芯片中，电是通过电磁场来控制的。例如，电场可以施加到晶体管上，取决于电场是打开还是关闭，晶体管要么允许电流流动，要么阻止电流流动。通过这种方式，电磁场被转换成电信号。

为了测试电磁场转化为电流的极限，使用了激光脉冲——可用的最快、最精确的电磁场，而不是晶体管。

介质中的线性兆赫光导采样(LPPS)。

维也纳工业大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释说:“研究最初根本不导电的材料。它们被超短激光脉冲击中，波长在极端紫外线范围内。这种激光脉冲将电子转移到一个更高的能级，这样它们就可以突然自由移动。通过这种方式，激光脉冲在很短的时间内将材料转变为电导体。”只要材料中有自由移动的载流子，它们就能在一秒内，稍微长一点的激光脉冲的作用下，向某个方向移动。这就产生了一种电流，这种电流可以被材料两侧的电极检测到。

这些过程发生得非常快，时间尺度为阿秒或飞秒。Christoph Lemell教授说:“很长一段时间以来，人们认为这样的过程是瞬间完成的。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。”关键的问题是:这种材料对激光的反应有多快?信号的产生需要多长时间，要等多长时间材料才能暴露在下一个信号?实验在Garching 和Graz进行，理论工作和复杂的计算机模拟在维也纳工业大学进行。

时间或精力——但不能两者兼而有之

这个实验导致了一个经典的不确定性困境，就像它在量子物理学中经常发生的那样:为了提高速度，需要极短的紫外激光脉冲，这样就可以非常快地产生自由载流子。然而，使用极短的脉冲意味着，转移到电子的能量的数量并没有被精确地定义。电子可以吸收非常不同的能量。Christoph Lemell说:“我们可以准确地知道自由载流子在什么时间点被创造出来，但不能知道它们处于什么能量状态。固体有不同的能带，在短激光脉冲下，它们中的许多不可避免地同时被自由载流子占据。”

利用线性兆赫光导采样(LPPS)的光场采样。

根据它们携带的能量大小，电子对电场的反应有很大的不同。如果它们的确切能量未知，就不可能精确地控制它们，而产生的电流信号就会被扭曲——尤其是在高激光强度下。

利用光学Bloch方程在LiF中沿着Γ−X方向的线性兆赫光导采样(LPPS)的波包建模。

Joachim Burgdörfer说:“事实证明，1兆赫是受控光电过程的上限。”当然，这并不意味着有可能生产出时钟频率低于1兆赫的计算机芯片。实际的技术上限很可能要低得多。虽然自然法则决定了光电子学的终极速度极限，但它们现在可以用复杂的新方法来分析和理解。

来源：The speed limit of optoelectronics, Nature Communications (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-29252-1