Extremamente curto, pulsos de luz configuráveis ​​de "femtossegundos" demonstrados por uma equipe internacional podem levar a futuros computadores que rodam até 100, 000 vezes mais rápido do que a eletrônica de hoje.

Os pesquisadores, incluindo engenheiros da Universidade de Michigan, mostraram que podiam controlar os picos dentro dos pulsos de laser e também distorcer a luz.

O método move os elétrons com mais rapidez e eficiência do que as correntes elétricas - e com efeitos confiáveis ​​em seus estados quânticos. É um passo em direção à chamada "eletrônica de ondas de luz" e, em um futuro mais distante, Computação quântica, disse Mackillo Kira, Professor U-M de engenharia elétrica e ciência da computação que esteve envolvido na pesquisa.

Elétrons se movendo através de um semicondutor em um computador, por exemplo, ocasionalmente encontram outros elétrons, liberando energia na forma de calor. Mas um conceito chamado eletrônica de ondas de luz propõe que os elétrons podem ser guiados por pulsos de laser ultrarrápidos. Embora a alta velocidade em um carro torne mais provável que o motorista colida em alguma coisa, a alta velocidade de um elétron pode tornar o tempo de viagem tão curto que é estatisticamente improvável que atinja alguma coisa.

"Nos últimos anos, nós e outros grupos descobrimos que o campo elétrico oscilante de pulsos de laser ultracurtos pode realmente mover elétrons para frente e para trás em sólidos, "disse Rupert Huber, professor de física da Universidade de Regensburg que conduziu o experimento. "Todos ficaram imediatamente entusiasmados porque alguém pode ser capaz de explorar este princípio para construir futuros computadores que funcionem em taxas de clock sem precedentes - 10 a 100 mil vezes mais rápido do que a eletrônica de ponta."

Mas primeiro, os pesquisadores precisam ser capazes de controlar os elétrons em um semicondutor. Este trabalho dá um passo em direção a essa capacidade ao mobilizar grupos de elétrons dentro de um cristal semicondutor usando radiação terahertz - a parte do espectro eletromagnético entre as microondas e a luz infravermelha.

Os pesquisadores projetaram pulsos de laser em um cristal do seleneto de gálio semicondutor. Esses pulsos eram muito curtos, com menos de 100 femtossegundos, ou 100 quatrilionésimos de segundo. Cada pulso colocava elétrons no semicondutor em um nível de energia mais alto - o que significava que eles estavam livres para se mover - e os carregava para frente. As diferentes orientações do cristal semicondutor em relação aos pulsos significavam que os elétrons se moviam em diferentes direções através do cristal - por exemplo, eles poderiam correr ao longo de ligações atômicas ou entre eles.

"As diferentes paisagens de energia podem ser vistas como uma rua plana e reta para elétrons em uma direção de cristal, mas para outros, pode parecer mais um plano inclinado para o lado, "disse Fabian Langer, estudante de doutorado em física em Regensburg. "Isso significa que os elétrons não podem mais se mover na direção do campo do laser, mas executam seu próprio movimento ditado pelo ambiente microscópico."

Quando os elétrons emitiram luz à medida que desceram do nível de energia superior, suas diferentes viagens eram refletidas nos pulsos. Eles emitiram pulsos muito mais curtos do que a radiação eletromagnética que entra. Essas rajadas de luz duravam apenas alguns femtossegundos.

Dentro de um cristal, eles são rápidos o suficiente para tirar instantâneos de outros elétrons enquanto se movem entre os átomos, e também podem ser usados ​​para ler e gravar informações nos elétrons. Por isso, os pesquisadores precisariam ser capazes de controlar esses pulsos - e o cristal fornece uma variedade de ferramentas.

"Existem oscilações rápidas, como dedos em um pulso. Podemos mover a posição dos dedos muito facilmente girando o cristal, "disse Kira, cujo grupo trabalhou com pesquisadores da Universidade de Marburg, Alemanha, para interpretar o experimento de Huber.

O cristal também pode torcer as ondas de luz de saída ou não, dependendo de sua orientação para os pulsos de laser de entrada.

Como os pulsos de femtossegundo são rápidos o suficiente para interceptar um elétron entre ser colocado em um estado excitado e descer desse estado, eles podem ser potencialmente usados ​​para cálculos quânticos usando elétrons em estados excitados como qubits.

"Por exemplo, aqui conseguimos lançar um elétron simultaneamente por meio de duas vias de excitação, o que não é classicamente possível. Esse é o mundo quântico. No mundo quântico, coisas estranhas acontecem, "Kira disse.

Um elétron é pequeno o suficiente para se comportar como uma onda e também como uma partícula - e quando está em um estado excitado, seu comprimento de onda muda. Como o elétron estava em dois estados excitados ao mesmo tempo, essas duas ondas interferiram uma na outra e deixaram uma impressão digital no pulso de femtossegundo que o elétron emitiu.

"Este efeito quântico genuíno pode ser visto nos pulsos de femtossegundo como novo, controlável, frequências e direções de oscilação, - disse Kira. - Isso, claro, é física fundamental. Com as mesmas idéias, você pode otimizar as reações químicas. Você pode obter novas maneiras de armazenar ou transmitir informações com segurança por meio da criptografia quântica. "

Huber está particularmente interessado em câmeras estroboscópicas de câmera lenta para revelar alguns dos processos mais rápidos da natureza, como elétrons movendo-se dentro dos átomos.

"Nossos sólidos cristalinos são fontes de luz fantásticas neste campo - com possibilidades sem precedentes para a formação de pulso, " ele disse.

Um artigo sobre o trabalho, intitulado "Estrutura temporal controlada por simetria de campos portadores de alta harmônica de um cristal em massa, "será publicado em Nature Photonics . A pesquisa é financiada pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela Fundação Alemã de Pesquisa.