За гранью видимого: как с помощью алмазов ученые создают будущее электроники

Физика твёрдого тела продолжает открывать новые горизонты: исследователи выяснили, что так называемые виртуальные заряды — носители, которые существуют лишь во время взаимодействия со светом, — оказывают критическое влияние на реакцию материалов на сверхкороткие лазерные импульсы. Это открытие меняет привычное представление о взаимодействии света и вещества и открывает путь к созданию принципиально новых технологий.

Что такое виртуальные заряды

В отличие от "реальных" электронов и дырок, виртуальные заряды возникают только на время взаимодействия с лазерным импульсом. Они не могут существовать самостоятельно, но при этом заметно изменяют динамику материала на аттосекундных масштабах (10⁻¹⁸ секунды).

Учёные Миланского политехнического университета и их коллеги из Японии и Германии впервые показали, что без учёта этих "мгновенных" носителей невозможно правильно описать сверхбыстрый отклик твёрдых тел.

"Наша работа показывает, что виртуальное возбуждение носителей заряда, которое происходит за несколько миллиардных долей секунды, необходимо для правильного прогнозирования быстрого оптического отклика в твёрдых телах", — сказал профессор физического факультета, Маттео Луккини из CNR-Ifn.

Эксперимент на алмазах

Для исследования использовали монокристаллические алмазы, на которые воздействовали ультракороткими импульсами длительностью в несколько аттосекунд.

Применили метод "спектроскопии переходного отражения в аттосекундном масштабе", позволяющий заглянуть в самую сердцевину электронных процессов.

Сравнение экспериментов с численным моделированием выявило эффект "виртуальных вертикальных переходов" между энергетическими зонами материала. Эти процессы раньше игнорировались, но оказалось, что именно они определяют часть оптического отклика.

Зачем это нужно

Результаты исследования важны для развития оптики и электроники нового поколения. Если современные устройства работают на гига- или терагерцовых частотах, то виртуальные заряды открывают дорогу к технологиям с петагерцовой скоростью — в тысячу раз быстрее.

"Эти результаты знаменуют собой ключевой этап в развитии сверхбыстрых технологий в электронике", — подчеркнула исследователь Росио Боррего Варильяс.

Возможные применения

• сверхбыстрые оптические переключатели и модуляторы;
• ультракомпактные квантовые устройства;
• новые методы хранения и обработки информации;
• исследования переходов в экзотических материалах (например, моттовских изоляторах).

Исторический контекст

• В 1980-х годах появились первые исследования фемтосекундных импульсов, позволившие наблюдать динамику молекул.
• В 2000-х были созданы аттосекундные лазеры, открывшие новый уровень изучения электронных процессов.
• Сегодня учёные переходят к пониманию роли не только реальных, но и виртуальных носителей заряда, что выводит фотонику и электронику на качественно новый уровень.

Уточнения

Аттосекундная физика - это раздел физики, который занимается явлениями взаимодействия света и материи, в котором аттосекундные (10^-18 с) фотонные импульсы используются для раскрытия динамических процессов в материи с беспрецедентным временным разрешением.

Синтетические алмазы или искусственные алмазы (англ. laboratory-grown diamonds (LGD)) — это алмазы, получаемые в результате искусственного процесса, в отличие от натуральных алмазов, создаваемых в результате геологических процессов. Около 97 % алмазов (по массе), используемых в промышленности, — синтетические.