Fizycy z Mediolanu przełamali barierę 10 teraherców. Światło wkracza w technologiczną lukę
Wszyscy czujemy, że tradycyjna elektronika powoli dobija do ściany. Fizyki nie da się oszukać – nie możemy w nieskończoność zagęszczać tranzystorów na krzemowych waflach, a próby podbijania taktowania powyżej 6 GHz kończą się koniecznością stosowania potężnych układów chłodzenia.
Naukowcy wiedzą to od dawna, dlatego zamiast zmuszać elektrony do szybszego biegu, postanowili użyć światła. Jak donosi najnowsza publikacja w prestiżowym czasopiśmie „Nature Photonics”, badacze z Politecnico di Milano we współpracy z włoską Radą ds. Badań Naukowych (CNR) dokonali imponującego przełomu. Zademonstrowali oni przełączanie stanów kwantowych z niewyobrażalną dotąd częstotliwością ponad 10 terahertzów (czyli 10 000 GHz), co potencjalnie otwiera drogę do wykonywania operacji logicznych o takiej właśnie szybkości.
Zamiast zer i jedynek – doliny kwantowe
Sekret tego odkrycia nie leży w miniaturyzacji tranzystorów, ale w całkowitej zmianie paradygmatu obliczeń. W klasycznym procesorze informacja jest przetwarzana poprzez fizyczne przepychanie ładunków elektrycznych przez bramki logiczne. Włoscy naukowcy zrobili coś zupełnie innego: wykorzystali światło oscylujące z ogromną częstotliwością do zmiany stanu samych elektronów wewnątrz materii.
Materiał, na którym przeprowadzono eksperyment, to disiarczek wolframu (WS2) – niemal dwuwymiarowy półprzewodnik o grubości zaledwie trzech warstw atomów. W tak ekstremalnie cienkiej strukturze elektrony mogą zajmować dwa odrębne stany energetyczne, nazywane w fizyce kwantowej „dolinami”. Badacze udowodnili, że za pomocą ultrakrótkich, trwających zaledwie femtosekundy (biliardowe części sekundy) impulsów laserowych, można te elektrony błyskawicznie przełączać między owymi dolinami. W ten sposób to właśnie one stają się nową jednostką informacji, kwantowym odpowiednikiem klasycznego bitu.
Dlaczego 10 THz to magiczna granica?
Osiągnięcie poziomu 10 terahertzów jest dla fizyków szczególnie ekscytujące. To zakres częstotliwości, w którym klasyczna elektronika ostatecznie się załamuje – elektrony mają swoją masę i ograniczenia, przez co nie są w stanie reagować na zmiany pola elektrycznego wystarczająco szybko. Z drugiej strony, wciąż jesteśmy daleko od częstotliwości światła widzialnego, które oscyluje na poziomie setek THz. Dla porównania najwolniej oscylujące fotony światła widzialnego, które my postrzegamy jako głęboką czerwień drgają z częstotliwością 400 THz, w przypadku zamykających pasmo widzialne fal głębokiego fioletu to niemal 800 THz.
Ta „strefa przejściowa” między elektroniką (operującą w gigahercach) a optyką jest od lat nazywana przez naukowców luką terahercową (Terahertz Gap) – to swego rodzaju terra incognita i jedna z ostatnich technologicznych luk współczesnej fizyki. Zespół z Mediolanu wszedł dokładnie w to miejsce, udowadniając, że można tam operować światłem i kontrolować materię na zupełnie nowych zasadach.
Prędkość światła w temperaturze pokojowej
W przeciwieństwie do wielu eksperymentów z dziedziny technologii kwantowych, które wymagają chłodzenia układów ciekłym helem niemal do zera absolutnego, opisane w „Nature Photonics” doświadczenie przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Użyto również impulsów laserowych, które już dziś są standardem w laboratoriach zajmujących się badaniami nad fotoniką.
Mimo gigantycznego potencjału, należy ostudzić emocje wywoływane przez huraoptymistyczne nagłówki. Osiągnięcie zespołu z Politecnico di Milano to wybitny dowód słuszności koncepcji na poziomie sterowania stanami materii, a nie gotowy procesor, który za rok trafi do naszych laptopów. Przed fizykami wciąż stoją potężne wyzwania, m.in. skalowanie układu i badanie trwałości tych stanów kwantowych.
Odkrycie to jest jednak niezwykle ważnym drogowskazem. Kiedy krzem ostatecznie powie nam „dość”, tzw. valleytronika (dziedzina badająca kwantowe „doliny” energetyczne) – obok fotoniki, spintroniki czy układów neuromorficznych – może stać się jedną z głównych ścieżek rozwoju elektroniki post-krzemowej. Zniknie problem oporu elektrycznego i przegrzewania, a zacznie się czysta fizyka światła.
