Een lasergestuurde schakelaar op waterbasis die twee keer zo snel werkt als bestaande halfgeleiderschakelaars, is ontwikkeld door een drietal natuurkundigen in Duitsland. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli aan de Ruhr Universiteit Bochum gebruikte een ultrakorte laserpuls om een ​​tijdelijke metaalachtige toestand te creëren in een straal vloeibaar water. Dit veranderde de transmissie van terahertz-pulsen over tijdschalen van slechts tientallen femtoseconden.

Nu de nieuwste op halfgeleiders gebaseerde schakelaars de fundamentele bovengrenzen naderen van hoe snel ze kunnen werken, zijn onderzoekers op zoek naar snellere manieren om signalen te schakelen. Een onverwachte plek om inspiratie op te doen, is het merkwaardige gedrag van water onder extreme omstandigheden - zoals die diep in ijsreuzenplaneten of gecreëerd door krachtige lasers.

Moleculaire dynamische simulaties suggereren dat water een metaalachtige toestand binnengaat bij een druk van 300 GPa en temperaturen van 7000 K. Hoewel dergelijke omstandigheden op aarde niet voorkomen, is het mogelijk dat deze toestand bijdraagt ​​aan de magnetische velden van Uranus en Neptunus. Om dit effect dichter bij huis te bestuderen, hebben recente experimenten krachtige, ultrakorte laserpulsen gebruikt om foto-ionisatie in op water gebaseerde oplossingen te activeren, waardoor vluchtige, metaalachtige toestanden ontstaan.

Vloeibare straal

In hun studie vuurde het trio in Bochum laserpulsen af ​​op een oplossing van natriumjodide op waterbasis. De oplossing werd uit een speciaal mondstuk gespoten, dat de vloeistofstraal platdrukte tot een micron dik vel. Wanneer onderworpen aan een intense optische laserpuls die 50 fs duurde, worden elektronen van de jodide-ionen geëxciteerd in de geleidingsband van het vloeibare water. Deze "pomp" -puls zorgt ervoor dat het water zich, althans tijdelijk, als een metaal gedraagt.

Water blijkt elektrisch dood te zijn op grensvlakken

In deze metaalachtige toestand veranderen de optische eigenschappen van het water tijdelijk. Om deze verandering te detecteren, vuurden Buchmann, Hoberg en Novelli een "sonde" -puls van terahertz-straling af op het water en maten hoeveel van de sondepuls door het water werd uitgezonden. Toen de pomp- en sondepulsen elkaar zonder enige vertraging overlapten, ontdekten ze dat de transmissie met 20% afnam in vergelijking met de transmissie zonder pomppuls. Door de vertraging tussen de pomp en de sonde te vergroten, stelde het team vast dat het water slechts 70 fs nodig had om te ontspannen van een metaal naar zijn normale toestand.

De pulsen van de terahertz-sonde waren ongeveer 1 ps lang, wat aanzienlijk langer is dan de pomppuls en de relaxatietijd van het water. Hierdoor kon het team de vorm van de verzonden sondepulsen veranderen, waardoor de frequenties in de pulsen naar hogere waarden werden verschoven. Het trio zegt dat dit frequentieverschuivende effect nuttige toepassingen zou kunnen hebben in experimenten.

Verder in de toekomst kijkend, hoopt het trio dat hun onderzoek de weg kan effenen voor een nieuw gebied van "waterelektronica". Met een schakeltijd van slechts 70 fs is water al twee keer zo snel als de beste halfgeleiderschakelaars, die ongeveer 150 fs nodig hebben om van toestand te veranderen.

Het onderzoek is beschreven in APL Fotonica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/water-based-switch-outpaces-semiconductor-devices/