对科学技术的长期追求一直是发展电子和信息处理，以接近自然法则允许的最快时间尺度运行。
实现这一目标的一种有希望的方法是使用激光来引导物质中的电子运动，然后利用这种控制来开发电子电路元件——这一概念被称为光波电子学。
值得注意的是，激光目前可以让我们在飞秒的时间尺度上产生脉冲，也就是十亿分之一秒。然而，我们在这些超快时间尺度上处理信息的能力仍然难以捉摸。
现在，罗切斯特大学(University of Rochester)和Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg (FAU)的研究人员在这个方向上迈出了决定性的一步，他们展示了一个逻辑门——计算和信息处理的组成部分——可以在飞秒的时间尺度上运行。发表在《Nature》上，这是首次利用和独立控制构成这些超快电脉冲的真实和虚拟载流子实现的。
技术进步已经打开了在petahertz极限下进行信息处理的大门，每秒可以处理1千万亿（10的15次方）次计算操作。这几乎比今天以吉赫兹频率运行的计算机快一百万倍，而1petahertz就是一百万gigahertz。
“这是基础科学如何导致新技术的一个很好的范例，”Ignacio Franco说，他是罗切斯特大学化学和物理副教授，他与博士生Antonio José Garzón-Ramírez '21(博士)合作，进行了导致这一发现的理论研究。
激光产生超快的电流脉冲
近年来，科学家们已经学会了如何利用持续几飞秒的激光脉冲来产生超快电流。例如，这是通过照亮连接两种黄金金属的微小石墨烯导线来实现的。超短激光脉冲使石墨烯中的电子运动或“激发”，更重要的是，将它们发送到一个特定的方向，从而产生净电流。
激光脉冲产生电的速度比任何传统方法都要快得多，而且是在没有施加电压的情况下。此外，只需改变激光脉冲的形状(即改变其相位)，就可以控制电流的方向和大小。
突破:利用真实和虚拟载流子
Franco and of FAU's Peter Hommelhoff的研究小组多年来一直致力于将光波转化为超快电流脉冲。
在试图调和Erlangen的实验测量和Rochester的计算模拟时，该团队有了一个认识:在金石墨烯-金连接中，有可能产生两种结果——“真实的”和“虚拟的”——携带电荷的粒子，这些粒子构成了这些电脉冲。
“真实”载流子是被光激发的电子，即使在激光脉冲关闭后，这些电子仍保持定向运动。
“虚拟”载流子是指在激光脉冲开启时只进行净方向运动的电子。因此，它们是难以捉摸的物种，只在光照下短暂存在。
由于石墨烯与金连接，真实和虚拟载流子都被金属吸收，从而产生净电流。
研究小组惊人地发现，通过改变激光脉冲的形状，他们可以在只有真实或虚拟载流子起作用的地方产生电流。换句话说，他们不仅产生了两种电流，而且还学会了如何独立控制它们，这一发现极大地增强了光波电子的设计能力。
图：产生真实和虚拟载流子原理示意图
基于激光器的逻辑门
利用这种增强的控制原理，该团队通过实验首次演示，在飞秒时间尺度上运行的逻辑门。
逻辑门是计算所需的基本构造块。它们控制如何处理以0或1(称为位)的形式传入的信息。逻辑门需要两个输入信号，并产生一个逻辑输出。
在研究人员的实验中，输入信号是具有固定形状或相位的两个同步激光脉冲的，每个激光脉冲被选中只产生一束真实或虚拟的载流子。根据所使用的激光相位，这两种对电流的贡献可以相加或抵消。网络电信号可以被分配逻辑信息0或1，产生超快逻辑门。
“这项技术要应用于计算机芯片可能还需要很长一段时间，但至少我们现在知道光波电子学实际上是可行的，”在佛罗里达大学领导这项实验的博士生Tobias Boolakee说。
“我们的结果为超高速电子和信息处理开辟道路，”Garzón-Ramírez '21(博士)说，他现在是麦吉尔大学的博士后研究员。
“这个逻辑门的神奇之处在于，”Franco说，“运算不是像普通计算机那样以gighertz来执行的，而是以petahertz来执行的，比普通计算机快一百万倍。这是因为所使用的非常短的激光脉冲发生在十亿分之一秒内。”
从基础到应用
这项具有潜在变革性的新技术源于对如何用激光在纳米尺度系统中驱动电荷的基础研究。
“通过基本理论及其与实验的联系，我们阐明了虚拟和真实电荷载流子在激光诱导电流中的作用，这为创建超快逻辑门开辟了道路，”Franco说。
这项研究代表了Franco超过15年的研究。2007年，作为多伦多大学的博士生，他设计了一种方法，使暴露在飞秒激光脉冲下的分子线产生超快电流。这一最初的想法后来在2013年进行了实验，Franco小组在2018年的一项研究中解释了实验背后的详细机制。从那时起，这个领域就出现了franco所说的“爆炸性”实验和理论增长。
“这是一个理论和实验相互挑战的领域，在这样过程中，揭示了新的基本理论和有前途的技术，”他说。
