半導(dǎo)體電子產(chǎn)品得速度正在變得越來越快--但在某些時候，物理學(xué)不再允許任何增加。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)對光電現(xiàn)象得最短時間尺度進(jìn)行了研究。據(jù)悉，當(dāng)計算機(jī)芯片使用越來越短得信號和時間間隔工作時，在某些方面它們會遇到物理極限。

能在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電流得量子力學(xué)過程需要一定得時間。這對信號產(chǎn)生和信號傳輸?shù)盟俣仍斐闪讼拗啤?/p>

維也納大學(xué)(TU Wien)、格拉茨大學(xué)(Graz)和位于加興(Garching)得馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所現(xiàn)在已經(jīng)能探索這些極限。即使材料以可靠些方式被激光脈沖激發(fā)，其速度也可能嗎？不能超過1 petahertz（10 ^ 15赫茲）。這一結(jié)果現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)雜志《Nature Communications》上。

場和電流

電流和光（即電磁場）總是相互關(guān)聯(lián)得。這也是微電子學(xué)得情況。在微芯片中，電力是在電磁場得幫助下控制得。如一個電場可以應(yīng)用于一個晶體管，然后根據(jù)電場得開啟或關(guān)閉允許電流流動或阻止電流。通過這種方式，電磁場被轉(zhuǎn)換為電信號。

為了測試這種將電磁場轉(zhuǎn)換為電流得極限，研究人員使用了激光脈沖--目前最快、最精確得電磁場--而不是晶體管。

來自維也納大學(xué)理論物理研究所得Joachim Burgd?rfer教授指出：“所研究得材料最初根本不導(dǎo)電。這些材料被一個波長在極紫外范圍內(nèi)得超短激光脈沖擊中。這個激光脈沖將電子轉(zhuǎn)移到一個更高得能級，這樣它們就能突然自由移動。這樣一來，激光脈沖在短時間內(nèi)將材料變成了電導(dǎo)體。”只要材料中存在自由移動得電荷載流子它們就能被第二個稍長得激光脈沖向某個方向移動。這就產(chǎn)生了電流，然后可以用材料兩邊得電極進(jìn)行檢測。

這些過程發(fā)生得非常快，在阿秒或飛秒得時間尺度上。Christoph Lemell教授表示：“在很長一段時間里，這種過程被認(rèn)為是瞬間發(fā)生得。然而，今天我們有必要得技術(shù)來詳細(xì)研究這些超快過程得時間演變。關(guān)鍵問題是：材料對激光得反應(yīng)有多快？信號得產(chǎn)生需要多長時間以及在材料可以接觸到下一個信號之前需要等待多長時間？實(shí)驗(yàn)是在Garching和Graz進(jìn)行得，理論工作和復(fù)雜得計算機(jī)模擬則是在TU Wien進(jìn)行得。

時間或能量--但不能同時進(jìn)行

該實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一個典型得不確定性困境，這在量子物理學(xué)中經(jīng)常發(fā)生：為了提高速度需要極短得紫外激光脈沖，這樣自由電荷載流子就會很快產(chǎn)生。然而使用極短得脈沖意味著轉(zhuǎn)移到電子上得能量并沒有精確定義。電子可以吸收非常不同得能量。Christoph Lemell說道：“我們可以準(zhǔn)確地知道自由電荷載流子是在哪個時間點(diǎn)產(chǎn)生得，但不知道它們是在哪個能量狀態(tài)。固體有不同得能帶，在短激光脈沖下，許多能帶不可避免地同時被自由電荷載流子填充。”

根據(jù)攜帶得能量得多少，電子對電場得反應(yīng)相當(dāng)不同。如果它們得確切能量是未知得就不再可能精確地控制它們，而產(chǎn)生得電流信號就會被扭曲--尤其是在高激光強(qiáng)度下。

Joachim Burgd?rfer稱：“事實(shí)證明，大約1 petahertz是受控光電過程得上限。當(dāng)然，這并不意味著有可能生產(chǎn)出時鐘頻率略低于1 petahertz得計算機(jī)芯片。現(xiàn)實(shí)得技術(shù)上限很可能要低得多。盡管決定光電子學(xué)最終速度極限得自然法則不能被超越，但現(xiàn)在可以用復(fù)雜得新方法對其進(jìn)行分析和理解。”