Vandbaseret switch overgår halvlederenheder

Vandbaseret switch overgår halvlederenheder

Tidsstempel: 11. januar 2023 kl. 3

Vandstråle
På mål Vand blæses ud gennem en specialudviklet dyse, og derefter føres en laserimpuls igennem den for at skabe en kontakt. (Med høflighed: Adrian Buchmann)

En laserstyret vandbaseret switch, der fungerer dobbelt så hurtigt som eksisterende halvlederkontakter, er blevet udviklet af en trio af fysikere i Tyskland. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli ved Ruhr University Bochum brugte en ultrakort laserpuls til at skabe en midlertidig metallignende tilstand i en stråle af flydende vand. Dette ændrede transmissionen af ​​terahertz-impulser over tidsskalaer på kun snesevis af femtosekunder.

Med de seneste halvlederbaserede switche nærmer sig grundlæggende øvre grænser for, hvor hurtigt de kan fungere, er forskere på jagt efter hurtigere måder at skifte signaler på. Et uventet sted at lede efter inspiration er vands mærkelige adfærd under ekstreme forhold - som dem dybt inde i isgigantiske planeter eller skabt af kraftige lasere.

Molekylær dynamik simuleringer tyder på, at vand går ind i en metallisk tilstand ved tryk på 300 GPa og temperaturer på 7000 K. Selvom sådanne forhold ikke forekommer på Jorden, er det muligt, at denne tilstand bidrager til de magnetiske felter i Uranus og Neptun. For at studere denne effekt tættere på hjemmet har nyere eksperimenter brugt kraftige, ultrakorte laserimpulser til at udløse fotoionisering i vandbaserede løsninger - hvilket skaber flygtige, metallignende tilstande.

Væskestråle

I undersøgelsen affyrede trioen i Bochum laserimpulser mod en vandbaseret opløsning af natriumiodid. Opløsningen blev sprøjtet fra en specialiseret dyse, som fladtrykte væskestrålen til en mikron-tyk plade. Når de udsættes for en intens optisk laserpuls, der varede i 50 fs, bliver elektroner fra iodidionerne exciteret ind i det flydende vands ledningsbånd. Denne "pumpe"-impuls får vandet til at opføre sig som et metal, i det mindste midlertidigt.

Mens vandet er i denne metallignende tilstand, ændres vandets optiske egenskaber midlertidigt. For at opdage denne ændring affyrede Buchmann, Hoberg og Novelli en "sonde"-puls af terahertz-stråling mod vandet og målte, hvor meget af sonde-impulsen, der blev transmitteret gennem vandet. Da pumpe- og sondeimpulserne overlappede med nul forsinkelse, fandt de ud af, at transmissionen faldt med 20 % sammenlignet med transmissionen uden en pumpeimpuls. Ved at øge forsinkelsen mellem pumpen og sonden fastslog holdet, at det tog kun 70 fs for vandet at slappe af fra et metal til dets normale tilstand.

Terahertz-sondeimpulserne var omkring 1 ps lange, hvilket er betydeligt længere end pumpeimpulsen og afslapningstiden for vandet. Dette gjorde det muligt for teamet at ændre formerne på de transmitterede probeimpulser og flytte frekvenserne i impulserne til højere værdier. Trioen siger, at denne frekvensskiftende effekt kunne have nyttige anvendelser i eksperimenter.

Ser vi længere ud i fremtiden, håber trioen, at deres forskning kan bane vejen for et nyt felt inden for "vandelektronik". Med en koblingstid på kun 70 fs er vand allerede dobbelt så hurtigt som de bedste halvlederkontakter, som tager omkring 150 fs at skifte tilstand.

Forskningen er beskrevet i APL fotonik.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden