这种激光驱动的逻辑门，可以将芯片速度提升10000倍

据physicsworld报道，第一个以飞秒时间尺度运行的逻辑门可以帮助开创一个以拍赫兹（petahertz）频率进行信息处理的时代——这比今天的千兆赫兹级计算机快一百万倍。这个由美国罗切斯特大学和德国Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 研究人员开发的新gate是光波电子学的一种应用——本质上，是用光场来移动电子——并利用两者真实和虚拟的电荷载体。

在光波电子学中，科学家使用激光引导物质中电子的运动，然后利用这种控制来创建电子电路元件。“由于光的振荡速度如此之快（每秒大约几亿次），所以与计算机芯片相比，使用光可以使电子设备的速度提高大约 10,000 倍，” Peter Hommelhoff小组的激光物理学家Tobias Boolakee说在，他也是 FAU 和Nature这个新gate研究的第一作者。“通过我们目前的工作，我们已经能够提出第一个光场驱动逻辑门（任何计算机架构的基本构建块）的想法，并通过实验证明其工作原理。”

在这项工作中，Boolakee 及其同事准备了连接到两个金电极的基于石墨烯的微小线，并用持续几十飞秒（10 -15秒）的激光脉冲照亮它们。这种激光脉冲激发或启动石墨烯中的电子，使它们沿特定方向传播，从而产生净电流。

虚拟和真实的电荷载体

FAU 和罗切斯特的研究人员在过去十年中一直在研究光波电子学，最新的工作利用了他们最近的发现，即激发金-石墨烯结会激发两种不同类型的电子电荷载体：虚拟和真实。研究人员解释说，虚拟载流子仅在激光脉冲开启时设置为净定向运动（net directional motion ），因此是瞬态的。因此，必须在光激发期间测量虚拟载流子对净电流的贡献。

研究人员通过探测由附着在石墨烯上的金电极中的虚拟载流子引起的净极化（ net polarization induced）来进行这项测量。就它们而言，真正的电荷载流子即使在激光脉冲关闭后仍继续沿首选方向传播，因此可以在光激发结束后测量它们对净电流的贡献。

据研究人员称，测量结果“引人注目”：通过改变激光脉冲的形状，他们发现它们可以产生只有真实或只有虚拟电荷载流子起作用的电流。能够以这种方式控制两种不同类型的电荷载流子，使他们第一次能够制造出在飞秒时间尺度上运行的逻辑门。

逻辑门操作

新逻辑门的基本思想是在它们的“载波包络”（carrier-envelope），将两个二进制信号（0 和 1，这是计算机逻辑中的标准）编码为两个少周期激光脉冲的形状，Hommelhoff解释。当这两个激光脉冲与金-石墨烯异质结构（old-graphene heterostructure）相互作用时，每一个都会产生一个超快电流脉冲。因此，研究人员可以从两个传入的激光脉冲中产生两个电流脉冲，它们要么相加，要么相互抵消。

“二进制输出信号（同样为 0 或 1）是从在其中一个金电极处测量的电流水平获得的，”Hommelhoff 告诉physicsworld。“逻辑运算的时间尺度基本上受到两个电流脉冲的开启时间的限制，这本质上是由激光脉冲频率驱动的潜在量子力学机制给出的。”

根据实验中使用的参数，Rochester-FAU 团队预计其逻辑门的带宽上限为 0.36 PHz 或等效的 2.8 fs 驱动光频率。

到目前为止，研究人员对新门的直接应用犹豫不决，但他们表示下一步将是证明它可以在比传统电子设备更快的时间尺度上运行。“我们非常肯定这种情况，但是将我们的系统扩展到更多门以形成复杂的逻辑将是一个更大的问题：在这里我们需要找到保持高速的方法，”Boolakee 说。

至于将这些门集成到实际设备中，该团队指出，系统需要比现在小得多。这将意味着采用近场光学方案来规避这样一个事实，即激光焦点不能比实际驱动激光脉冲的波长（约 800 nm）小得多，这对于电子长度尺度来说太大了。

“最后，我们在这项工作中使用的激光脉冲需要非常强，这是另一个难以扩大规模的点，”Hommelhoff 说。“从本质上讲，需要更多基础和应用研究才能将这种原理验证演示转化为新技术。但至少我们已经迈出了第一步：展示了一个新的逻辑门。”