Miss.aysoo
کاربر نگاه دانلود
پالس لیزری، عایق را همچون یک فلز رسانا می سازد
یک تیم بین المللی از فیزیکدانان نشان داده است که یک پالس نوری بسیار کوتاه، با باز یا بسته کردن جریان الکتریکی ورودی ها به کوتاهی چند فمتوثانیه، می تواند یک عایق را به یک فلز تبدیل کند. این فناوری می تواند برای ایجاد ترانزیستورهایی که 10000 برابر سریعتر از آنهایی که امروزه بکار می روند، استفاده گردد.
این کار در دو مقاله توسط این تیم در مجله نیچر گزارش شده است. در مقاله اول، Agustin Schiffrin و Ferenc Krausz از موسسه ماکس پلانک اپتیک کوانتومی در آلمان، Mark Stockman از دانشگاه ایالتی جورجیای آمریکا و همکارانش رخدادی را که در زمان روشن نمودن پالس لیزری کوتاه اما شدید روی یک نمونه دی اکسید اتفاق می افتد را توصیف کرده اند.دی اکسید یک عایق با گاف انرژی در حدود 9 الکترون ولت است که نوارهای ظرفیت و رسانش آن را از هم جدا می کند. در مقابل پهنای گاف در حدود 1.1 الکترون ولت است؛ این یعنی در اصل سویچی که از دی اکسید ساخته می شود بسیار سریعتر از یک سویچ سنتی عمل می کند. با این وجود مشکلی که وجود دارد این است که دی اکسید بایستی در مبدانهای الکتریکی بسیار بالا کار کند که نتیجه آن تفکیک الکتریکی مخرب است.
بستن گاف
یک راه حل برای این مشکل اعمال یک میدان الکتریکی قوی برای یک زمان بینهایت کوتاه است در این صورت آن تفکیک اتفاق نمی افتد. وقتی میدان اعمال شود انرژی بعضی از حالات الکترونی در نوار ظرفیت افزایش می یابد درحالیکه انرژی برخی حالات در نوار رسانش کاهش می یابد. سرانجام این، کاهش قابل توجهی در مقدار انرژی لازم برای ایجاد یک الکترون در نوار رسانش است و ماده مورد نظر رسانای الکتریکی می شود.
تیم موردنظر، این میدان الکتریکی کوتاه را با استفاده از پالس لیزری که تنها 4 فمتوثانیه طول عمر دارند ایجاد کردند – چنان کوتاه که تنها شامل 1.5 دور از یک موج الکترمغناطیسی است. پالس های مورد نظر روی تکه ای از دی اکسید که دو الکترود طلا روی سطحش دارد، شلیک شدند. آنها به شکاف 50 نانومتری بین الکترودها رسیدند، نور قطبیده شده و میدان الکتریکی آن با سطح دی اکسید موازی شده و مابین دو الکترود به جلو و عقب نوسان می کند. (طبق شکل)
یک پالس، پهنای گاف را کاهش می دهد و پالس دیگر الکترونها را جاروب می کند.
جاروب کردن به سمت جلو و عقب
پالس موردنظر الکترونهای رسانش را ایجاد میکند که نیروی مربوط به میدان الکتریکی پالس را احساس می کنند. با تغییر جهت میدان، این الکترون ها ابتدا به سمت یک الکترود طلا و سپس به سمت الکترود دیگر حرکت می کنند. این اثر با اتصال دو الکترود با یک آمپرسنج و اندازه گیری جریان، سنجیده می شود.
برای نشان دادن اینکه تغییر پهنای گاف و تولید جریان فرآیندهای مستقل هستند، این گروه آزمایش دومی را شامل دو پالس انجام داد. یک پالس میدان الکتریکی در طول گاف دارد لذا نمی تواند الکترونها را به سوی الکترودها جاروب کند با اینحال می تواند ساختار نواری را تغییر دهد. پالس دوم میدان الکتریکی رونده در بین الکترودها را داراست که در یک شدت بسیار پائین تنظیم می شود لذا قادر است الکترونهای رسانشی را جاروب کند اما ساختار نواری را تغییر نمی دهد. همچنانکه انتظار می رفت جریان هنوز دیده می شود.
هرچند که آزمایش نشان می دهد که یک نیمه رسانا می تواند به یک رسانا در مقیاس زمانی در حدود یک فمتوثانیه تبدیل گردد، اما این موضوع نمی تواند گواه مستقیمی از این مطلب باشد که سیستم بتواند به یک نیمه رسانا روی همان بازه زمانی بازگردد- چیزی که بعضی اوقات می تواند برای ساخت مدارهای که در بازه زمانی فمتوثانیه عمل می کنند یک عامل بحرانی به حساب آید.
تایید خاموشی فمتوثانیه
به این منظور این تیم آزمایش دوم پیچیده تری را در مقاله دوم توصیف می کند که شامل اندازه گیری جذب و بازتاب نور از یک نمونه دی اکسید است. این آزمایش مؤید این مطلب است که اثر مورد بحث در واقع در حدود یک فمتوثانیه خاموش می شود.
Schiffrin کار ارائه شده در نیچر را به عنوان اثباتی از این اصل می داند که یک پالس لیزری پرشدت و فراسریع می تواند برای تغییر قطعه حالت جامد استفاده گردد. Stockman می افزاید: اکنون می توانیم قطعه ای که 10000 برابر سریعتر از ترانزیستوری که در 100 گیگا هرنز می تواند کار کند را داشته باشیم. به این منظور تیم در جستجوی این است که چگونه می توان با قلاب کردن دو سویچ یک "دروازه منطقی" ساخت. جفت شدگی بین دو قطعه می تواند با استفاده از پلاسمونیک حاصل شود- که شامل نوسانات کوانتیزه ی الکترونهای رسانشی در یک ماده است.
هرچند ایجاد چنان قطعات منطقی در آزمایشگاه آسان به نظر می رسد، اما هرکسی در عمل خواهان ساختن قطعات تجاری است که آن نیز به نوبه خود مستلزم وجود لیزرهای ارزان قیمت برای ایجاد پالسهای متناسب است. هرچند این یک چالش تکنیکی مهم خواهد بود Schiffrin معتقد است که این کار بایستی ممکن باشد.
به گفته Schiffrin ساختارهای دی اکسید و طلا برای توصیف خروجی لیزرهای فراسریع می توانند بسیار مفید واقع شوند- چیزی که امروزه مستلزم اندازه گیری های انجام شده در خلا بسیار بالا و استفاده از طیف سنج های الکترونی گران قیمت است. با این وجود پیشتر، این تیم حق انحصاری آن کاربرد ویژه را به خود اختصاص داده است.
منبع:
یک تیم بین المللی از فیزیکدانان نشان داده است که یک پالس نوری بسیار کوتاه، با باز یا بسته کردن جریان الکتریکی ورودی ها به کوتاهی چند فمتوثانیه، می تواند یک عایق را به یک فلز تبدیل کند. این فناوری می تواند برای ایجاد ترانزیستورهایی که 10000 برابر سریعتر از آنهایی که امروزه بکار می روند، استفاده گردد.
این کار در دو مقاله توسط این تیم در مجله نیچر گزارش شده است. در مقاله اول، Agustin Schiffrin و Ferenc Krausz از موسسه ماکس پلانک اپتیک کوانتومی در آلمان، Mark Stockman از دانشگاه ایالتی جورجیای آمریکا و همکارانش رخدادی را که در زمان روشن نمودن پالس لیزری کوتاه اما شدید روی یک نمونه دی اکسید اتفاق می افتد را توصیف کرده اند.دی اکسید یک عایق با گاف انرژی در حدود 9 الکترون ولت است که نوارهای ظرفیت و رسانش آن را از هم جدا می کند. در مقابل پهنای گاف در حدود 1.1 الکترون ولت است؛ این یعنی در اصل سویچی که از دی اکسید ساخته می شود بسیار سریعتر از یک سویچ سنتی عمل می کند. با این وجود مشکلی که وجود دارد این است که دی اکسید بایستی در مبدانهای الکتریکی بسیار بالا کار کند که نتیجه آن تفکیک الکتریکی مخرب است.
بستن گاف
یک راه حل برای این مشکل اعمال یک میدان الکتریکی قوی برای یک زمان بینهایت کوتاه است در این صورت آن تفکیک اتفاق نمی افتد. وقتی میدان اعمال شود انرژی بعضی از حالات الکترونی در نوار ظرفیت افزایش می یابد درحالیکه انرژی برخی حالات در نوار رسانش کاهش می یابد. سرانجام این، کاهش قابل توجهی در مقدار انرژی لازم برای ایجاد یک الکترون در نوار رسانش است و ماده مورد نظر رسانای الکتریکی می شود.
تیم موردنظر، این میدان الکتریکی کوتاه را با استفاده از پالس لیزری که تنها 4 فمتوثانیه طول عمر دارند ایجاد کردند – چنان کوتاه که تنها شامل 1.5 دور از یک موج الکترمغناطیسی است. پالس های مورد نظر روی تکه ای از دی اکسید که دو الکترود طلا روی سطحش دارد، شلیک شدند. آنها به شکاف 50 نانومتری بین الکترودها رسیدند، نور قطبیده شده و میدان الکتریکی آن با سطح دی اکسید موازی شده و مابین دو الکترود به جلو و عقب نوسان می کند. (طبق شکل)
یک پالس، پهنای گاف را کاهش می دهد و پالس دیگر الکترونها را جاروب می کند.
جاروب کردن به سمت جلو و عقب
پالس موردنظر الکترونهای رسانش را ایجاد میکند که نیروی مربوط به میدان الکتریکی پالس را احساس می کنند. با تغییر جهت میدان، این الکترون ها ابتدا به سمت یک الکترود طلا و سپس به سمت الکترود دیگر حرکت می کنند. این اثر با اتصال دو الکترود با یک آمپرسنج و اندازه گیری جریان، سنجیده می شود.
برای نشان دادن اینکه تغییر پهنای گاف و تولید جریان فرآیندهای مستقل هستند، این گروه آزمایش دومی را شامل دو پالس انجام داد. یک پالس میدان الکتریکی در طول گاف دارد لذا نمی تواند الکترونها را به سوی الکترودها جاروب کند با اینحال می تواند ساختار نواری را تغییر دهد. پالس دوم میدان الکتریکی رونده در بین الکترودها را داراست که در یک شدت بسیار پائین تنظیم می شود لذا قادر است الکترونهای رسانشی را جاروب کند اما ساختار نواری را تغییر نمی دهد. همچنانکه انتظار می رفت جریان هنوز دیده می شود.
هرچند که آزمایش نشان می دهد که یک نیمه رسانا می تواند به یک رسانا در مقیاس زمانی در حدود یک فمتوثانیه تبدیل گردد، اما این موضوع نمی تواند گواه مستقیمی از این مطلب باشد که سیستم بتواند به یک نیمه رسانا روی همان بازه زمانی بازگردد- چیزی که بعضی اوقات می تواند برای ساخت مدارهای که در بازه زمانی فمتوثانیه عمل می کنند یک عامل بحرانی به حساب آید.
تایید خاموشی فمتوثانیه
به این منظور این تیم آزمایش دوم پیچیده تری را در مقاله دوم توصیف می کند که شامل اندازه گیری جذب و بازتاب نور از یک نمونه دی اکسید است. این آزمایش مؤید این مطلب است که اثر مورد بحث در واقع در حدود یک فمتوثانیه خاموش می شود.
Schiffrin کار ارائه شده در نیچر را به عنوان اثباتی از این اصل می داند که یک پالس لیزری پرشدت و فراسریع می تواند برای تغییر قطعه حالت جامد استفاده گردد. Stockman می افزاید: اکنون می توانیم قطعه ای که 10000 برابر سریعتر از ترانزیستوری که در 100 گیگا هرنز می تواند کار کند را داشته باشیم. به این منظور تیم در جستجوی این است که چگونه می توان با قلاب کردن دو سویچ یک "دروازه منطقی" ساخت. جفت شدگی بین دو قطعه می تواند با استفاده از پلاسمونیک حاصل شود- که شامل نوسانات کوانتیزه ی الکترونهای رسانشی در یک ماده است.
هرچند ایجاد چنان قطعات منطقی در آزمایشگاه آسان به نظر می رسد، اما هرکسی در عمل خواهان ساختن قطعات تجاری است که آن نیز به نوبه خود مستلزم وجود لیزرهای ارزان قیمت برای ایجاد پالسهای متناسب است. هرچند این یک چالش تکنیکی مهم خواهد بود Schiffrin معتقد است که این کار بایستی ممکن باشد.
به گفته Schiffrin ساختارهای دی اکسید و طلا برای توصیف خروجی لیزرهای فراسریع می توانند بسیار مفید واقع شوند- چیزی که امروزه مستلزم اندازه گیری های انجام شده در خلا بسیار بالا و استفاده از طیف سنج های الکترونی گران قیمت است. با این وجود پیشتر، این تیم حق انحصاری آن کاربرد ویژه را به خود اختصاص داده است.
منبع:
