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1PHz:科学家已算出光电子设备可能达到的速率上限

在普通人看来,电子产品的速度应该会一直向着更快的方向去发展。但受物理定律的限制,这件事显然是会有个无形的“天花板”的。在近日发表于《自然通讯》期刊上的一篇文章中,来自奥地利维也纳技术大学(TU Wien)、格拉茨技术大学(TU Graz)和马克思·普朗克量子光学研究所的一支团队,就介绍了光电子设备可能达到的速率上限。

研究配图 – 1:电介质中的线性拍赫兹光电导采样(LPPS)

众所周知,电子设备 —— 尤其是用光来控制电子的系统 —— 也面临着光速这个上限。现在,科学家们已经计算出了它的极限速度,可知量子力学成为了让微芯片运行得更快的一大阻碍。

研究团队使用了半导体材料 + 激光器开展了实验 —— 首先用超短激光脉冲击中半导体,让材料中的电子转换到更高的能量状态,以使之能够自由移动;然后借助第二个稍长的激光脉冲(朝向某个方向发射)以产生电流。

研究配图 – 2:LPPS 光场采样

借助上述技术和复杂的计算机模拟,研究团队用越来越短的激光脉冲来冲击半导体。但在某个时刻,该过程开始与还说呢宝的不确定性原理发生冲突。

作为一种奇怪的量子现场,当你越想要准确地测量一个粒子的某种特性,就越无法确定它的另一种特性。

研究配图 – 3:与栅极场强相关的 LPPS 采样

在此种情况下,使用较短的激光脉冲,意味着观察者可以准确地判断电子何时获得能量。作为代价,我们无法同时准确估量其获得的能量。

对于电子设备来说,这显然是一个非常重要的问题 —— 如果不知道电子的确切能量,就意味着它们无法被精确控制。

研究配图 – 4:在 LiF 中沿 Γ-X 方向使用光学布洛赫方程对 LPPS 进行波包建模

据此,研究团队计算出了光电子系统可能达到的速率的绝对上限为 1 拍赫兹(PHz),也就是百万吉赫兹 —— 作为一个无法越过的屏障,过后就是量子物理定律所属的领域了。

有关这项研究的详情,已经发表在 2022 年 3 月 25 日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,原标题为《The speed limit of optoelectronics》。

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