Исследователи продемонстрировали первый логический вентиль (элементарный вычислительный модуль), который работает в фемтосекундных масштабах времени. Технология описана в журнале Nature. В своей работе исследователи из университетов Рочестера и Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге использовали синхронизированные лазерные импульсы, которые генерируют всплеск реальных и виртуальных носителей заряда в графене.

В эксперименте ученых входные сигналы логического вентиля представляют собой форму или фазу двух синхронизированных лазерных импульсов, каждый из которых выбран только для генерации всплеска реальных или виртуальных носителей заряда. В зависимости от используемых фаз лазера эти два вклада в токи могут либо складываться, либо компенсироваться. Чистому электрическому сигналу может быть присвоена логическая информация 0 или 1, что дает сверхбыстрый логический элемент.

Что удивительно в этом логическом вентиле, так это то, что операции выполняются не в гигагерцах, как в обычных компьютерах, а в петагерцах, которые в миллион раз быстрее. Это связано с тем, что используются очень короткие лазерные импульсы, которые возникают за одну миллионную миллиардную долю секунды, – Игнасио Франко, соавтор исследования из Университета Рочестера.

Исследователи объясняют, что лазерные импульсы могут производить электричество намного быстрее, чем любой традиционный метод, и делают это без приложенного напряжения. Например, при освещении крошечных проводов на основе графена, соединяющих два золотых металла, ультракороткий лазерный импульс приводит в движение или «возбуждает» электроны и направляет их в определенном направлении, генерируя, таким образом, чистый электрический ток.

Ученые установили, что в соединениях золото-графен-золото можно генерировать два вида заряженных частиц: «реальные» и «виртуальные». К первому виду авторы работы относят электроны, которые остаются в направленном движении даже после выключения лазерного импульса, а ко второму — те, которые движутся только во время освещения.

Исследователи научились управлять генерируемыми потоками реальных и виртуальных частиц, изменяя форму лазерного импульса. Именно эта технология позволила создать логический модуль.

«Вероятно, пройдет очень много времени, прежде чем эту технику можно будет использовать в компьютерном чипе, но, по крайней мере, теперь мы знаем, что световолновая электроника практически возможна», — говорит Тобиас Булаки, соавтор исследования из Университета Фридриха-Александра.