A szigetelőtől a vezetőig villanás alatt

Az elmúlt évtizedekben a számítógépek egyre gyorsabbá váltak, a merevlemezek és a tároló chipek pedig hatalmas kapacitást értek el. De ez a tendencia nem folytatódhat örökké: már olyan fizikai korlátok előtt állunk, amelyek megakadályozzák, hogy a szilícium alapú számítógépes technológia ettől a ponttól kezdve bármi lenyűgöző sebességnövekedést érjen el. A kutatók különösen optimisták abban, hogy a technológiai fejlődés következő korszaka új információfeldolgozó anyagok és technológiák kifejlesztésével kezdődik, amelyek ötvözik az elektromos áramköröket az optikai áramkörökkel. Rövid lézerimpulzusok segítségével Misha Ivanov, a berlini Max Born Intézet által vezetett kutatócsoport a moszkvai Orosz Kvantumközpont tudósaival együtt most rávilágított az új anyagokban zajló rendkívül gyors folyamatokra. Eredményeik a Nature Photonics folyóiratban jelentek meg.

A szilárdtestfizika modern anyagkutatása szempontjából különös érdeklődésre tartanak számot az "erősen összefüggő rendszerek", úgymint az ezekben az anyagokban lévő elektronok közötti erős kölcsönhatások. A mágnesek erre jó példa: a mágnesekben lévő elektronok az anyag belsejében egy előnyös forgásirányba igazodnak, és ez adja a mágneses teret. De vannak más, egészen más strukturális megrendelések is, amelyek figyelmet érdemelnek. Például az úgynevezett Mott-szigetelőknél, amelyek egy anyagcsoportját most intenzíven kutatják, az elektronoknak szabadon kell áramolniuk, ezért az anyagoknak képesnek kell lenniük villamos energia vezetésére, valamint fémekre. De az elektronok közötti kölcsönhatás ezekben az erősen összefüggő anyagokban akadályozza áramlásukat, ezért az anyagok inkább szigetelőként viselkednek.

Erős lézerimpulzussal megszakítva ezt a rendet, a fizikai tulajdonságok drámaian megváltoztathatóvá válhatnak. Ez a szilárdból a folyadékba történő fázisátmenethez hasonlítható: a jég megolvadásával például a merev jégkristályok szabadon folyó vízmolekulákká alakulnak át. Hasonló módon az erősen korreláló anyagban lévő elektronok szabadon áramolhatnak, amikor egy külső lézerimpulzus strukturális sorrendjükben fázisátmenetet kényszerít. Az ilyen fázisátmeneteknek lehetővé kell tenni számunkra, hogy teljesen új kapcsolóelemeket dolgozzunk ki a következő generációs elektronika számára, amelyek gyorsabbak és potenciálisan energiatakarékosabbak, mint a mai tranzisztorok. Elméletileg a számítógépeket ezerszer gyorsabban lehetne elkészíteni, ha elektromos alkatrészeiket fényimpulzusokkal "felturbózzák".

Ezeknek a fázisátmeneteknek a tanulmányozásával az a probléma, hogy rendkívül gyorsak, ezért nagyon nehéz "elkapni őket". Eddig a tudósoknak meg kellett elégedniük egy anyag állapotának jellemzésével egy ilyen fázisátmenet előtt és után. Rui E. F. Silva, Olga Smirnova és Misha Ivanov kutatók, a berlini Max Born Intézet munkatársai azonban most kidolgoztak egy módszert, amely a legigazibb értelemben megvilágítja a folyamatot. Elméletük szerint rendkívül rövid, személyre szabott lézerimpulzusokat kell lőni egy olyan anyagra - olyan impulzusokra, amelyek csak a közelmúltban hozhatók létre megfelelő minőségben, tekintettel a lézerek legújabb fejleményeire. Ezután megfigyeljük az anyag reakcióját ezekre az impulzusokra, hogy lássuk, hogyan gerjesztik az anyagban lévő elektronok a mozgást, és mint egy csengő, meghatározott frekvenciákon bocsátanak ki rezonáns rezgéseket, mint a beeső fény harmonikusait.

"Ennek a magas harmonikus spektrumnak az elemzésével figyelhetjük meg ezekben az erősen összefüggő anyagok szerkezeti sorrendjének változását" élőben "először" - mondja a Max Born Intézet Rui Silva című tanulmányának első szerzője. Az ilyen átmenetek célzott kiváltására képes lézerforrások csak a közelmúlt óta állnak rendelkezésre. A lézerimpulzusoknak bőven erőseknek és rendkívül rövideknek kell lenniük - a femtoszekundumok nagyságrendjében (másodperc milliomodmilliárd része).

Bizonyos esetekben csak egyetlen fénylengés szükséges az anyag elektronikus rendjének megzavarásához és a szigetelő fémszerű vezetővé alakításához. A berlini Max Born Intézet tudósai a világ vezető szakértői közé tartoznak az ultrarövid lézerimpulzusok területén.

"Ha fényt akarunk használni az anyagban lévő elektronok tulajdonságainak szabályozásához, akkor pontosan tudnunk kell, hogyan reagálnak az elektronok a fényimpulzusokra" - magyarázza Ivanov. A legújabb generációs lézerforrásokkal, amelyek lehetővé teszik az elektromágneses mező teljes vezérlését egyetlen lengésig, az újonnan közzétett módszer mély betekintést enged a jövő anyagaiba.