Παλμός Laser κάνει έναν μονωτή να συμπεριφέρεται σαν μέταλλο.

Ο ένας παλμός μειώνει το χάσμα των ζωνών και ο άλλος
σαρώνει τα ηλεκτρόνια. 

Μια διακρατική ομάδα φυσικών έχει δείξει ότι ένας εξαιρετικά μικρός παλμός φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετατρέψει ένα μονωτή σε μέταλλο, επιτρέποντας σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα να ανάβει και να σβήνει για διαστήματα λίγων femtoseconds. Η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία τρανζίστορ που είναι 10.000 φορές πιο γρήγορα από ό, τι τα σημερινά. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να αποτελέσει επίσης τη βάση για ένα φθηνό και εύκολο τρόπο δημιουργίας πολύ γρήγορων παλμών λέιζερ - κάτι που σήμερα είναι πολύ ακριβό να γίνει.

Το έργο αναφέρεται σε δύο έγγραφα από την ομάδα που εμφανίζονται στο περιοδικό Nature. Στην πρώτη μελέτη, οι Agustin Schiffrin και Ferenc Krausz του Ινστιτούτου Max Planck για την κβαντική οπτική στη Γερμανία, ο Mark Stockman του Georgia State University στις ΗΠΑ και οι συνεργάτες του περιγράφουν τι συμβαίνει όταν πυροδοτούμε ένα σύντομο αλλά έντονο παλμό λέιζερ σε ένα δείγμα διοξειδίου του πυριτίου.

Το διοξείδιο του πυριτίου είναι μονωτής με κακό ενεργειακό χάσμα περίπου 9 eV για διαχωρισμό του σθένους και ζώνες αγωγιμότητας. Σε αντίθεση, το χάσμα στο πυρίτιο είναι περίπου 1.1 eV. Αυτό σημαίνει ότι, κατ 'αρχήν, ένας διακόπτης που κατασκευάζεται από διοξείδιο του πυριτίου μπορεί να λειτουργεί πολύ πιο γρήγορα από ό, τι ένας συμβατικός διακόπτης πυριτίου. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι ο διακόπτης του διοξειδίου του πυριτίου, θα πρέπει να λειτουργήσει σε πολύ υψηλά ηλεκτρικά πεδία, με αποτέλεσμα την καταστροφική ηλεκτρική διάσπαση.

Η γεφύρωση του χάσματος

Ένας τρόπος γύρω από αυτό το πρόβλημα είναι να εφαρμοστεί ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο για ένα εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα, έτσι ώστε να μη γίνει διάσπαση. Όταν το πεδίο εφαρμόζεται, μερικά από τα ηλεκτρόνια σε κατάσταση ζώνης σθένους αυξάνουν ενεργειακά μέχρις ότου ορισμένες  καταστάσεις στη ζώνη αγωγιμότητας μειωθούν. Το αποτέλεσμα είναι μια σημαντική μείωση στην ποσότητα της ενέργειας, που απαιτείται για τη δημιουργία ενός αγώγιμου ηλεκτρονίου και το υλικό γίνεται ένας ηλεκτρικός αγωγός.

Η ομάδα δημιούργησε αυτό το σύντομο ηλεκτρικό πεδίο χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ που είναι διάρκειας μόνο 4 fs - τόσο μικρή ώστε να περιέχει μόνο περίπου 1,5 κύκλους ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι παλμοί παρέχονται σε ένα κομμάτι διοξειδίου του πυριτίου που έχει δύο ηλεκτρόδια χρυσού στην επιφάνεια του. Αυτά στοχεύουν στο διάκενο 50 nm μεταξύ των ηλεκτροδίων και το φως είναι πολωμένο έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο να είναι παράλληλο προς την επιφάνεια του διοξείδιου του πυριτίου -και ταλαντεύεται πίσω και εμπρός μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων (βλ. σχήμα).

Σαρωτικές εμπρός και πίσω

Ο παλμός δημιουργεί αγώγιμα ηλεκτρόνια, τα οποία αισθάνονται τη δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου του παλμού. Αυτά πρώτα σαρώνονται προς ένα ηλεκτρόδιο χρυσού και στη συνέχεια προς την άλλη κατεύθυνση των διακοπτών πεδίου. Το αποτέλεσμα αυτό μετράται με τη σύνδεση των δύο ηλεκτροδίων με ένα αμπερόμετρο και μετρώντας το ρεύμα.

Για να δείξει ότι η τροποποίηση του εύρους-ζώνης και η δημιουργία ρεύματος ήταν δύο ανεξάρτητες διαδικασίες, η ομάδα έκανε ένα δεύτερο πείραμα που περιλαμβάνει δύο παλμούς. Ένας παλμός είχε ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του κενού, ώστε να μην μπορεί να σαρώσει τα ηλεκτρόνια προς τα ηλεκτρόδια, αλλά εξακολουθεί να μπορεί να τροποποιήσει τη δομή της ζώνης. Ο δεύτερος παλμός με το ηλεκτρικό του πεδίο τρέχει μεταξύ των ηλεκτροδίων. Ο δεύτερος παλμός ορίστηκε σε πολύ χαμηλότερη ένταση, γι 'αυτό ήταν σε θέση να τον σαρώνουν τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, αλλά δεν θα τροποποιήσει τη δομή της ζώνης. Όπως αναμενόταν, εμφανίστηκε ένα ακόμα ρεύμα.

Αν και το πείραμα δείχνει ότι ένας ημιαγωγός μπορεί να αλλάξει σε αγωγό σε ένα χρονικό διάστημα περίπου 1 fs, δεν παρέχουν άμεσες αποδείξεις ότι το σύστημα επανέρχεται σε έναν ημιαγωγό σε ένα χρονικό διάστημα περίπου 1 fs - κάτι που θα μπορούσε να είναι ζωτικής σημασίας για την δημιουργία κυκλωμάτων, που λειτουργούν σε χρονικές κλίμακες femtosecond.

Επιβεβαιώνοντας το κλείσιμο σε femtosecond

Για να γίνει αυτό, η ομάδα έκανε ένα δεύτερο, πιο πολύπλοκο πείραμα που περιγράφεται στη δεύτερη μελέτη. Αυτό περιελάμβανε τη μέτρηση της απορρόφησης και ανάκλασης του φωτός από ένα δείγμα πυριτίου-διοξείδιο του - η οποία επιβεβαίωσε ότι το αποτέλεσμα είναι ότι πράγματι είχε κλείσει σε περίπου 1 fs.

Ο Schiffrin περιγράφει τις εργασίες που παρουσιάζονται στο Nature, ως απόδειξη της αρχής ότι ένας έντονος, γρήγορος παλμός λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει μια συσκευή στερεάς κατάστασης. "Τώρα μπορούμε να έχουμε ουσιαστικά μια συσκευή που λειτουργεί 10.000 φορές πιο γρήγορα από ό, τι ένα τρανζίστορ που μπορεί να τρέξει στα 100 GHz," προσθέτει ο Stockman. Προκειμένου να εξετάσει τη δυνατότητα αυτή, η ομάδα εξετάζει τώρα πώς θα μπορούσε να συνδέσει δύο διακόπτες για να κάνει μια λογική πύλη. Η σύζευξη μεταξύ των συσκευών μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας πλασμόνια - που είναι κβαντισμένες ταλαντώσεις ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε ένα υλικό.

Ενώ μπορεί να είναι εύκολο να δημιουργήσει τέτοιες λογικές συσκευές στο εργαστήριο, ο καθένας που θέλει να κάνει εμπορικές συσκευές θα πρέπει πρώτα να δημιουργήσετε χαμηλού κόστους λέιζερ, που μπορούν να δημιουργήσουν τους κατάλληλους παλμούς. Ενώ αυτό θα ήταν μία σημαντική τεχνολογική πρόκληση, ο Schiffrin πιστεύει ότι πρέπει να είναι και πραγματοποιήσιμη.

Σε βραχυπρόθεσμο ορίζοντα, ο Schiffrin λέει ότι δομές του διοξειδίου του πυριτίου και χρυσού  θα μπορούσαν να αποδειχθούν πολύ χρήσιμες για το χαρακτηρισμό της εξόδου του υπερταχέως λέιζερ - κάτι που σήμερα περιέχει μετρήσεις που γίνονται σε σύστημα υπερυψηλού κενού και με τη χρήση ακριβών φασματόμετρων ηλεκτρονίων. Πράγματι, η ομάδα έχει ήδη ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτή την εφαρμογή, λέει ο Schiffrin.

Πηγή, PhysicsWorld

Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας