Vattenbaserad switch överträffar halvledarenheter

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Vattenstråle — **På mål** Vatten fläktas ut genom ett speciellt utvecklat munstycke och sedan leds en laserpuls genom det för att skapa en switch. (Med tillstånd: Adrian Buchmann)

En laserstyrd vattenbaserad switch som fungerar dubbelt så snabbt som befintliga halvledaromkopplare har utvecklats av en trio fysiker i Tyskland. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli vid Ruhr University Bochum använde en ultrakort laserpuls för att skapa ett tillfälligt metallliknande tillstånd i en stråle av flytande vatten. Detta förändrade överföringen av terahertz-pulser över tidsskalor på bara tiotals femtosekunder.

Med de senaste halvledarbaserade switcharna närmar sig grundläggande övre gränser för hur snabbt de kan fungera, är forskare på jakt efter snabbare sätt att byta signaler. En oväntad plats att leta efter inspiration är vattnets konstiga beteende under extrema förhållanden – som de djupt inne i isgigantiska planeter eller skapade av kraftfulla lasrar.

Molekylära dynamiksimuleringar tyder på att vatten går in i ett metalliskt tillstånd vid tryck på 300 GPa och temperaturer på 7000 K. Även om sådana förhållanden inte förekommer på jorden, är det möjligt att detta tillstånd bidrar till magnetfälten i Uranus och Neptunus. För att studera denna effekt närmare hemmet har de senaste experimenten använt kraftfulla, ultrakorta laserpulser för att utlösa fotojonisering i vattenbaserade lösningar – vilket skapar flyktiga, metallliknande tillstånd.

Vätskestråle

I studien avfyrade trion i Bochum laserpulser mot en vattenbaserad lösning av natriumjodid. Lösningen sprutades från ett specialiserat munstycke, som plattade ut vätskestrålen till ett mikrontjockt ark. När de utsätts för en intensiv optisk laserpuls som varade i 50 fs, exciteras elektroner från jodidjonerna in i det flytande vattnets ledningsband. Denna "pump"-puls får vattnet att bete sig som en metall, åtminstone tillfälligt.

Vatten visar sig vara elektriskt dött vid gränssnitt

I detta metallliknande tillstånd ändras vattnets optiska egenskaper tillfälligt. För att upptäcka denna förändring avfyrade Buchmann, Hoberg och Novelli en "sond"-puls av terahertzstrålning mot vattnet och mätte hur mycket av sondens puls som överfördes genom vattnet. När pump- och sondpulserna överlappade med noll fördröjning fann de att transmissionen minskade med 20 % jämfört med transmissionen i frånvaro av en pumppuls. Genom att öka fördröjningen mellan pumpen och sonden fastställde teamet att det tog bara 70 fs för vattnet att slappna av från en metall till sitt normala tillstånd.

Terahertz-sondpulserna var cirka 1 ps långa, vilket är betydligt längre än pumppulsen och vattnets relaxationstid. Detta gjorde det möjligt för teamet att ändra formerna på de överförda sondpulserna, och flytta frekvenserna i pulserna till högre värden. Trion säger att denna frekvensskiftande effekt kan ha användbara tillämpningar i experiment.

Ser man längre in i framtiden hoppas trion att deras forskning kan bana väg för ett nytt område av "vattenelektronik". Med en omkopplingstid på bara 70 fs är vattnet redan dubbelt så snabbt som de bästa halvledaromkopplarna, som tar cirka 150 fs att ändra tillstånd.

Forskningen beskrivs i APL fotonik.