Ilustração de como os elétrons podem ser imaginados se movendo entre dois braços de uma nanoantena metálica, impulsionado por uma onda de luz de ciclo único. Crédito:Universidade de Konstanz
Uma equipe europeia de pesquisadores, incluindo físicos da Universidade de Konstanz, encontrou uma maneira de transportar elétrons às vezes abaixo da faixa do femtossegundo, manipulando-os com luz. Isso pode ter implicações importantes para o futuro do processamento de dados e da computação.
Componentes eletrônicos contemporâneos, que são tradicionalmente baseados na tecnologia de semicondutores de silício, pode ser ligado ou desligado em picossegundos (ou seja, 10 -12 segundos). Telefones celulares e computadores padrão funcionam em frequências máximas de vários gigahertz (1 GHz =10 9 Hz) enquanto os transistores individuais podem se aproximar de um terahertz (1 THz =10 12 Hz). Aumentar ainda mais a velocidade na qual os dispositivos de comutação eletrônicos podem ser abertos ou fechados usando a tecnologia padrão tem se mostrado um desafio. Uma série recente de experimentos - conduzidos na Universidade de Konstanz e relatados em uma publicação recente em Física da Natureza - demonstra que os elétrons podem ser induzidos a se mover a velocidades subfemtossegundos, ou seja, mais rápido do que 10 -15 segundos, manipulando-os com ondas de luz personalizadas.
"Este pode muito bem ser o futuro distante da eletrônica, "diz Alfred Leitenstorfer, Professor de Ultrafast Phenomena and Photonics da Universidade de Konstanz (Alemanha) e co-autor do estudo. "Nossos experimentos com pulsos de luz de ciclo único nos levaram até a faixa de attossegundo do transporte de elétrons." A luz oscila em frequências pelo menos mil vezes mais altas do que aquelas alcançadas por circuitos puramente eletrônicos:um femtossegundo corresponde a 10 -15 segundos, que é a milionésima parte de um bilionésimo de segundo. Leitenstorfer e sua equipe do Departamento de Física e do Centro de Fotônica Aplicada (CAP) da Universidade de Konstanz acreditam que o futuro da eletrônica reside em dispositivos plasmônicos e optoeletrônicos integrados que operam no regime de um elétron óptico - em vez de micro-ondas -frequências. "Contudo, trata-se da pesquisa básica de que estamos falando aqui e pode levar décadas para ser implementada, "ele adverte.
Uma questão de controlar a luz e a matéria
O desafio para a equipe internacional de físicos teóricos e experimentais da Universidade de Konstanz, a Universidade de Luxemburgo, CNRS-Université Paris Sud (França) e o Centro de Física de Materiais (CFM-CSIC) e Donostia International Physics Center (DIPC) em San Sebastián (Espanha) que colaborou neste projeto foi desenvolver uma configuração experimental para manipular luz ultracurta pulsos em escalas de femtossegundos abaixo de um único ciclo de oscilação, por um lado, e para criar nanoestruturas adequadas para medições de alta precisão e manipulação de cargas eletrônicas por outro. "Felizmente para nós, temos instalações de primeira classe à nossa disposição aqui mesmo em Konstanz, "diz Leitenstorfer, cuja equipe conduziu os experimentos. "O Centro de Fotônica Aplicada é uma instalação líder mundial para o desenvolvimento de tecnologia de laser ultrarrápida. E graças ao nosso Centro de Pesquisa Colaborativa 767 Nanosistemas controlados:interação e interface com a macroescala, temos acesso a nanoestruturas extremamente bem definidas que podem ser criadas e controladas em escala nanométrica. "
Troca de elétron super-rápida
A configuração experimental desenvolvida pela equipe de Leitenstorfer e autor coordenadora Daniele Brida (ex-líder de um grupo de pesquisa Emmy Noether na Universidade de Konstanz, agora professor da Universidade de Luxemburgo) envolveu antenas de ouro em nanoescala, bem como um laser ultrarrápido capaz de emitir cem milhões de pulsos de luz de ciclo único por segundo para gerar uma corrente mensurável. O design da gravata borboleta da antena óptica permitiu um subcomprimento de onda e uma concentração espaço-temporal subciclo do campo elétrico do pulso de laser no intervalo de uma largura de seis nm (1 nm =10 -9 metros).
Como resultado do caráter altamente não linear do tunelamento de elétrons para fora do metal e da aceleração sobre a lacuna no campo óptico, os pesquisadores foram capazes de alternar correntes eletrônicas a velocidades de aproximadamente 600 attossegundos (ou seja, menos de um femtossegundo, 1 como =10 -18 segundos). "Este processo ocorre apenas em escalas de tempo de menos da metade de um período de oscilação do campo elétrico do pulso de luz, "explica Leitenstorfer - uma observação que os parceiros do projeto em Paris e San Sebastián foram capazes de confirmar e mapear em detalhes por meio de um tratamento dependente do tempo da estrutura quântica eletrônica acoplada ao campo de luz.
O estudo abre oportunidades inteiramente novas para entender como a luz interage com a matéria condensada, permitindo a observação de fenômenos quânticos em escalas temporais e espaciais sem precedentes. Com base na nova abordagem da dinâmica eletrônica conduzida em nanoescala por campos ópticos que este estudo oferece, os pesquisadores continuarão a investigar o transporte de elétrons em escalas de tempo e comprimento atômicas em dispositivos de estado sólido ainda mais sofisticados com dimensões de picômetro.
