В рамках новаторской международной работы исследователи из физического факультета Колледжа наук и Колледжа оптических наук Джеймса К. Уайанта продемонстрировали способ манипулирования электронами в графене с помощью импульсов света, которые длятся менее триллионной доли секунды. Используя квантовый эффект, известный как туннелирование, они зафиксировали, как электроны почти мгновенно преодолевают физический барьер, - достижение, которое переопределяет потенциальные пределы вычислительной мощности компьютера.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, как этот метод может привести к скорости обработки в диапазоне петагерц - более чем в 1000 раз быстрее, чем современные компьютерные чипы.

Отправка данных с такими скоростями произвела бы революцию в вычислительной технике, какой мы ее знаем, сказал Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук. Хассан долгое время занимался компьютерными технологиями, основанными на использовании света, и ранее возглавлял усилия по разработке самого быстрого в мире электронного микроскопа.

"Мы пережили огромный скачок вперед в развитии таких технологий, как программное обеспечение для искусственного интеллекта, но скорость разработки аппаратного обеспечения растет не так быстро", - сказал Хассан. "Но, опираясь на открытие квантовых компьютеров, мы можем разработать аппаратное обеспечение, соответствующее нынешней революции в программном обеспечении информационных технологий. Сверхбыстрые компьютеры в значительной степени помогут открытиям в космических исследованиях, химии, здравоохранении и многом другом".

Хасан работал вместе с несколькими коллегами Николаем Голубевым, доцентом физики; Мохаммедом Сеннари, аспирантом, изучающим оптику и физику; Джалил Шахом, аспирантом физики; и Мингруи Юанем, аспирантом оптики. К ним присоединились коллеги из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и Мюнхенского университета Людвига Максимилиана в Германии.

Первоначально команда изучала электропроводность модифицированных образцов графена, материала, состоящего из одного слоя атомов углерода. Когда лазер светит на графен, энергия лазера возбуждает электроны в материале, заставляя их двигаться и образовывать ток.

Иногда эти электрические токи нейтрализуют друг друга. Хассан сказал, что это происходит потому, что энергетическая волна лазера движется вверх и вниз, генерируя равные и противоположные токи по обе стороны графена. Из-за симметричной атомной структуры графена эти токи отражают друг друга и нейтрализуют друг друга, не оставляя заметного тока.

Но что, если бы один электрон мог проскользнуть сквозь графен, и его путешествие можно было бы зафиксировать и отследить в режиме реального времени? Это почти мгновенное "туннелирование" стало неожиданным результатом модификации командой различных образцов графена.

"Это то, что я больше всего люблю в науке: настоящие открытия происходят из того, чего вы не ожидаете", - сказал Хассан. "Входя в лабораторию, вы всегда предвидите, что произойдет, но настоящая красота науки заключается в тех мелочах, которые происходят и побуждают вас к дальнейшим исследованиям. Как только мы поняли, что достигли этого туннельного эффекта, нам нужно было узнать больше".

Используя коммерчески доступный графеновый фототранзистор, который был модифицирован для введения специального слоя кремния, исследователи использовали лазер, который выключается и включается со скоростью 638 аттосекунд, чтобы создать то, что Хассан назвал "самым быстрым в мире петагерцовым квантовым транзистором".

Транзистор - это устройство, которое действует как электронный переключатель или усилитель, управляющий потоком электричества между двумя точками, и является фундаментальным для развития современной электроники.

"Для справки, одна аттосекунда - это одна квинтиллионная доля секунды", - сказал Хассан. "Это означает, что это достижение представляет собой большой скачок вперед в развитии сверхбыстрых компьютерных технологий благодаря реализации транзистора с петагерцовой скоростью".

В то время как некоторые научные достижения происходят в строгих условиях, включая температуру и давление, этот новый транзистор работает в условиях окружающей среды, открывая путь к коммерциализации и использованию в повседневной электронике.

Хассан сотрудничает с Tech Launch Arizona, офисом, который работает с исследователями над коммерциализацией изобретений, полученных в результате исследований, с целью патентования и продвижения инноваций на рынок. В то время как в первоначальном изобретении использовался специализированный лазер, исследователи продолжают разработку транзистора, совместимого с коммерчески доступным оборудованием.

"Я надеюсь, что мы сможем сотрудничать с промышленными партнерами, чтобы реализовать этот транзистор с петагерцовой скоростью на микрочипе", - сказал Хассан. "Университет Аризоны уже известен благодаря самому быстрому в мире электронному микроскопу, и мы хотели бы также прославиться благодаря первому транзистору с петагерцовой скоростью".