Переключатель на водной основе опережает полупроводниковые устройства

Переключатель на водной основе с лазерным управлением, который работает в два раза быстрее, чем существующие полупроводниковые переключатели, был разработан тремя немецкими физиками. Адриан Бухманн, Клаудиус Хоберг, Фабио Новелли в Рурском университете в Бохуме использовали ультракороткий лазерный импульс для создания временного металлического состояния в струе жидкой воды. Это изменило передачу терагерцовых импульсов за время всего в десятки фемтосекунд.

Поскольку новейшие переключатели на основе полупроводников приближаются к фундаментальным верхним пределам скорости их работы, исследователи ищут более быстрые способы переключения сигналов. Одно неожиданное место для поиска вдохновения — это любопытное поведение воды в экстремальных условиях — например, глубоко внутри планет-гигантов или созданных мощными лазерами.

Моделирование молекулярной динамики предполагает, что вода переходит в металлическое состояние при давлении 300 ГПа и температуре 7000 К. Хотя такие условия не встречаются на Земле, возможно, что это состояние вносит вклад в магнитные поля Урана и Нептуна. Чтобы изучить этот эффект ближе к дому, в недавних экспериментах использовались мощные ультракороткие лазерные импульсы для запуска фотоионизации в растворах на водной основе, создавая мимолетные, подобные металлу состояния.

Струя жидкости

В исследовании трио в Бохуме стреляло лазерными импульсами по раствору йодида натрия на водной основе. Раствор распылялся из специальной форсунки, которая расплющивала струю жидкости в лист толщиной в микрон. При воздействии интенсивного оптического лазерного импульса длительностью 50 фс электроны иодид-ионов возбуждаются в зону проводимости жидкой воды. Этот «насосный» импульс заставляет воду вести себя как металл, по крайней мере временно.

Вода оказывается электрически мертвой на границах раздела

В этом металлическом состоянии оптические свойства воды временно изменяются. Чтобы обнаружить это изменение, Бухманн, Хоберг и Новелли запустили «зондовый» импульс терагерцового излучения в воду и измерили, какая часть зондирующего импульса прошла через воду. Когда импульсы накачки и зондирующего импульса перекрывались с нулевой задержкой, они обнаружили, что передача падала на 20% по сравнению с передачей в отсутствие импульса накачки. Увеличив задержку между насосом и зондом, команда определила, что воде требуется всего 70 фс, чтобы перейти от металла к нормальному состоянию.

Импульсы терагерцового зонда имели длительность около 1 пс, что значительно больше импульса накачки и времени релаксации воды. Это позволило команде изменить форму передаваемых зондирующих импульсов, сдвинув частоты в импульсах к более высоким значениям. Трио говорит, что этот эффект смещения частоты может найти полезное применение в экспериментах.

Заглядывая в будущее, трио надеется, что его исследования могут проложить путь к новой области «водной электроники». При времени переключения всего 70 фс вода уже в два раза быстрее лучших полупроводниковых переключателей, которым требуется около 150 фс для изменения состояния.

Исследование описано в АПЛ Фотоникс.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/water-based-switch-outpaces-semiconductor-devices/