През последните десетилетия компютрите стават все по-бързи и бързите дискове и чиповете за съхранение достигат огромен капацитет. Но тази тенденция не може да продължи вечно: ние вече се изправяме срещу физически ограничения, които ще попречат на базираната на силиций компютърна технология да постигне впечатляващи увеличения на скоростта от този момент нататък. Изследователите са особено оптимистични, че следващата ера на технологичния напредък ще започне с разработването на нови материали и технологии за обработка на информация, които съчетават електрическите вериги с оптичните. Използвайки къси лазерни импулси, изследователски екип, ръководен от Миша Иванов от Института „Макс Борн“ в Берлин, заедно с учени от Руския квантов център в Москва сега хвърли светлина върху изключително бързите процеси, протичащи в тези нови материали. Резултатите от тях са публикувани в списанието Nature Photonics.

светкавично

От особен интерес за съвременните материални изследвания във физиката на твърдото тяло са „силно корелираните системи“, така наречени за силните взаимодействия между електроните в тези материали. Магнитите са добър пример за това: електроните в магнитите се подравняват в предпочитана посока на въртене вътре в материала и именно това произвежда магнитното поле. Но има и други, съвсем различни структурни порядки, които заслужават внимание. Например в така наречените изолатори на Мот, клас материали, които сега се изследват усилено, електроните трябва да текат свободно и следователно материалите трябва да могат да провеждат електричество, както и метали. Но взаимното взаимодействие между електроните в тези силно корелирани материали затруднява потока им и затова материалите се държат като изолатори вместо това.

Чрез нарушаване на този ред със силен лазерен импулс, физическите свойства могат да се променят драстично. Това може да се оприличи на фазов преход от твърдо към течно състояние: когато ледът се топи, например, твърди ледени кристали се трансформират в свободно течащи водни молекули. По подобен начин електроните в силно корелиран материал стават свободни да текат, когато външен лазерен импулс принуди фазов преход в техния структурен ред. Такива фазови преходи трябва да ни позволят да разработим изцяло нови превключващи елементи за електроника от следващо поколение, които са по-бързи и потенциално по-енергийно ефективни от днешните транзистори. На теория компютрите могат да бъдат направени около хиляда пъти по-бързо, като "турбо зареждат" своите електрически компоненти със светлинни импулси.

Проблемът с изучаването на тези фазови преходи е, че те са изключително бързи и поради това е много трудно да ги „хванем в действие“. Досега учените трябваше да се задоволят с характеризиране на състоянието на материала преди и след фазов преход от този вид. Изследователите Руй Е. Ф. Силва, Олга Смирнова и Миша Иванов от Берлинския институт "Макс Борн" обаче сега са разработили метод, който в най-истинския смисъл ще хвърли светлина върху процеса. Тяхната теория включва изстрелване на изключително кратки, съобразени лазерни импулси по материал - импулси, които едва наскоро могат да бъдат произведени с подходящо качество предвид най-новите разработки в лазерите. След това се наблюдава реакцията на материала на тези импулси, за да се види как електроните в материала се възбуждат в движение и подобно на камбана излъчват резонансни вибрации на определени честоти като хармоници на падащата светлина.

„Като анализираме този висок хармоничен спектър, можем да наблюдаваме промяната в структурния ред в тези силно корелирани материали„ на живо “за първи път“, казва първият автор на статията Руй Силва от института „Макс Борн“. Лазерни източници, способни да целенасочено задействат тези преходи, са на разположение от съвсем наскоро. А именно лазерните импулси трябва да бъдат достатъчно силни и изключително кратки - с продължителност от фемтосекунди (милионни от милиардна част от секундата).

В някои случаи е необходимо само едно трептене на светлината, за да се наруши електронният ред на материала и да се превърне изолатор в металоподобен проводник. Учените от Берлинския институт Макс Борн са сред водещите световни експерти в областта на ултракъсите лазерни импулси.

„Ако искаме да използваме светлина, за да контролираме свойствата на електроните в даден материал, тогава трябва да знаем как точно ще реагират електроните на светлинните импулси“, обяснява Иванов. С лазерни източници от последно поколение, които позволяват пълен контрол върху електромагнитното поле дори до еднократно трептене, новоизлезлият метод ще позволи задълбочени прозрения в материалите на бъдещето.