Kvantově-mechanické procesy, které umožňují vznik elektrického proudu v polovodičích, trvají určitou (nenulovou) dobu. Tím je omezena rychlost generování a přenosu signálu v polovodiči. Limit platí pro elektroniku i optoelektroniku – ve smyslu zařízení, které spoléhají na operace s elektrony a jejich nábojem.
Vědci z Vídeňské technické univerzity, Technické univerzity Graz a Ústavu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v Garchingu nyní hodnotu příslušného omezení vypočítali. Rychlost procesorů podle nich rozhodně nelze zvýšit nad 1 PHz (petaherzt je milion gigahertzů), a to ani v případě, že je materiál buzen laserovými pulzy. Výsledek prošel recenzních řízením a byl publikován v Nature Communications.
Elektrický proud a světlo (tj. elektromagnetické pole) jsou vždy vzájemně propojeny. Tranzistor v závislosti na tom, zda je vnější elektrické pole zapnuto, nebo vypnuto, propouští elektrický proud. Tímto způsobem se elektromagnetické pole převádí na elektrický signál. Nejrychlejší způsob přeměny elektromagnetického pole na elektrický proud představují laserové pulzy namísto tranzistorů (optoelektronika). Laserový pulz posune (excituje) v izolantu elektrony na vyšší energetickou hladinu, což materiál na krátkou dobu změní na vodič. Jakmile jsou v materiálu volně pohyblivé nosiče náboje, lze je druhým, o něco delším laserovým pulzem posunout určitým směrem (tedy právě funkčnost odpovídající tranzistoru).
Tyto procesy probíhají extrémně rychle, v časovém měřítku ato- nebo femtosekund. V současnosti však už máme k dispozici technologie, abychom i tak vysoké rychlosti dokázali konkrétně měřit. Hlavní otázka zní, jak rychle materiál reaguje na laser, jak dlouho trvá generování signálu a jak dlouho je třeba čekat, než je možné materiál vystavit dalšímu signálu.
Teoretické simulace i provedené experimenty ukazují, jak zde narážíme na limity kvantové fyziky, konkrétně princip neurčitosti, kdy není možné současně dostatečně přesně definovat čas a energii. Ke zvýšení rychlosti jsou zapotřebí extrémně krátké laserové pulzy, aby volné nosiče náboje vznikaly co nejrychleji. Použití extrémně krátkých pulzů však současně znamená, že množství energie, které je předáno elektronům, není přesně definováno. A v závislosti na tom, kolik energie nesou, reagují elektrony na elektrické pole zcela odlišně. Pokud neznáme jejich přesnou energii, není již možné je přesně řídit a vzniklý proudový signál je zkreslený.
Samozřejmě petahertz je limit ve smyslu základních fyzikálních zákonů. S největší pravděpodobností se ani této hranice nepodaří nikdy dosáhnout, protože tomu budou bránit méně fundamentální, technické překážky (generované teplo apod.). „To vše samozřejmě neznamená, že je možné vyrábět počítačové čipy s taktovací frekvencí těsně pod jedním petahertzem. Reálné technické horní hranice jsou s největší pravděpodobností podstatně nižší,“ uvádí spoluautor studie Joachim Burgdörfer z Vídeňské technické univerzity. Ostatně v poslední době se už parametry procesorů zlepšují spíše jinak než zvyšováním jejich pracovní frekvence.
M. Ossiander et al, The speed limit of optoelectronics, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29252-1
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org