目前,業界已經掌握在數千兆赫茲(gigahertz;GHz)以及甚至高達太赫茲(terahertz;THz)範圍內的切換速度相關技術了,下一代的電子元件將持續推動至PHz的頻率範圍。然而,如何在此頻率下控制電子的運動,目前仍然是個未知數。由蘇黎世聯邦理工學院教授Ursula Keller帶領的研究團隊開始深入調查電子如何達到PHz級。

在其實驗中,瑞士的研究人員們將一顆厚度僅50nm的微小鑽石暴露於外線雷射的脈衝下,並持續幾飛秒的時間。這一光源的電場頻率約為0.5PHz;而在執行雷射脈衝期間,同時進行五次振盪以刺激電子。在透明的材料下,電場對於電子的效應可藉由傳送光穿透材料進行間接測量,並在其穿透的過程中觀察其吸收性。

儘管這種測量方式就像以恆定電場進行一樣的簡單,但雷射光束的高頻振盪對研究人員們帶來了重大挑戰。原則上,研究人員的目的只想在電場的一小部份振盪期間導通光源。因此,測量脈衝必須比1飛秒的時間更短。此外,在啟動脈衝的瞬間,就必須知道雷射脈衝電場的精確相位位置。

儘管自1990年代以來就已經大致上掌握了這項技術,但有必要使其大幅進展。此外,還需要進行一定的偵測作業。首先,日本筑波大學(Tsukuba University)的研究人員們以超級電腦模擬電子在鑽石中的反應。他們發現與蘇黎世聯邦理工學院研究團隊所測得的相同吸收行為。透過模擬過程,還讓研究人員們得以導通與關斷在鑽石中所發生的某些特定效應。因此,Zurich的研究人員們能將鑽石吸收行為的特徵歸納成2種能量級。

研究人員的結論是,所謂的動態Franz Keldysh效應,牽涉到鑽石在雷射脈衝影響下的吸收行為。儘管這種效應對於靜態電場來說較易於理解,但以往卻不曾在其動態的式下進行觀察其極端快速的振盪電場。根據研究人員表示,這表示電子能夠透過極高的振盪頻率(如外線雷射光束)加以控制。

雖然,對於實際的PHz電子來說,這些研究發現還有很長的路要走,其他實體效應也可能降低其性能,但瑞士研究人員們的發現仍然與下一代的電子研究密切相關,因為他們證實了在極端高頻時電場對於電子運動的潛在影響。

「鑽石是應用於一連串技術的關鍵材料,從光機械到生物感測器等,」蘇黎世聯邦理工學院博士後研究員Matteo Luccchini表示,「重要的是實際地瞭解與光場的互動。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Swiss researchers investigating petahertz electronics,by Christoph Hammerschmidt)