Скрытые силы внутри алмазов могут сделать технологии в 1000 раз быстрее

Исследователи показали, что виртуальные заряды — временные носители, активируемые только во время взаимодействия со светом, — являются ключом к пониманию того, как материалы реагируют на сверхбыстрые лазерные импульсы. Это открытие может революционизировать разработку будущих оптических и электронных технологий, работающих с беспрецедентными скоростями. Credit: Shutterstock

Понимание того, что происходит внутри материала, когда он подвергается воздействию сверхкоротких световых импульсов, является одной из великих задач физики вещества и современной фотоники. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics и проведенное под руководством Миланского политехнического университета, раскрывает ранее игнорируемый, но существенный аспект — вклад виртуальных зарядов, носителей заряда, которые существуют только во время взаимодействия со светом, но которые глубоко влияют на отклик материала.

Исследование, проведенное в партнерстве с Университетом Цукубы, Институтом структуры и динамики вещества Макса Планка и Институтом фотоники и нанотехнологий (CNR-IFN), изучало поведение монокристаллических алмазов, подвергнутых световым импульсам длительностью в несколько аттосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды), с использованием передовой техники, называемой спектроскопией переходного отражения на аттосекундной шкале.

Сравнивая экспериментальные данные с современными численными моделями, исследователи смогли изолировать эффект так называемых виртуальных вертикальных переходов между электронными зонами материала. Этот результат меняет представление о том, как свет взаимодействует с твердыми телами, даже в экстремальных условиях, которые ранее приписывались только движению реальных зарядов.

«Наша работа показывает, что возбуждение виртуальных носителей, которое развивается за несколько миллиардных долей миллиардной доли секунды, незаменимо для правильного предсказания быстрого оптического отклика в твердых телах», — сказал Маттео Луккини, профессор кафедры физики, старший автор исследования и сотрудник CNR-Ifn.

«Эти результаты знаменуют собой ключевой шаг в разработке сверхбыстрых технологий в электронике», — добавляет Росио Боррехо Варрильяс, исследователь из CNR-IFN.

Достигнутый прогресс предлагает новые возможности для создания сверхбыстрых оптических устройств, таких как переключатели и модуляторы, способные работать на петагерцовых частотах, что в тысячу раз быстрее, чем современные электронные устройства. Это требует глубокого понимания как поведения реальных зарядов, так и виртуальных зарядов, что и продемонстрировано в данном исследовании.

Исследование проводилось в Центре аттосекундных исследований (ARC) Миланского политехнического университета в рамках европейских и национальных проектов ERC AuDACE (Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials) и MIUR FARE PHorTUNA (PHase Transition Ultrafast dyNAmics in Mott insulators).

Алмазы, известные своей исключительной твердостью и теплопроводностью, также обладают уникальными оптическими и электронными свойствами, которые делают их перспективными для квантовых вычислений и высокоскоростной электроники. Исследования в области аттосекундной физики, изучающей процессы длительностью в миллиардные доли миллиардной доли секунды, открывают путь к созданию электронных устройств, работающих на частотах световых волн.