半導體電子產品的速度正在變得越來越快–但在某些時候，物理學不再允許任何增加。現在，科學家們已經對光電現象的最短時間尺度進行了研究。據悉，當計算機芯片使用越來越短的信號和時間間隔工作時，在某些方面它們會遇到物理極限。

能在半導體材料中產生電流的量子力學過程需要一定的時間。這對信號產生和信號傳輸的速度造成了限制。

維也納大學(TU Wien)、格拉茨大學(Graz)和位於加興(Garching)的馬克斯-普朗克量子光學研究所現在已經能探索這些極限。即使材料以最佳方式被激光脈衝激發，其速度也絕對不能超過1 petahertz（10 ^ 15赫茲）。這一結果現在已經發表在科學雜誌《Nature Communications》上。

場和電流

電流和光（即電磁場）總是相互關聯的。這也是微電子學的情況。在微芯片中，電力是在電磁場的幫助下控制的。如一個電場可以應用於一個晶體管，然後根據電場的開啟或關閉允許電流流動或阻止電流。通過這種方式，電磁場被轉換為電信號。

為了測試這種將電磁場轉換為電流的極限，研究人員使用了激光脈衝–目前最快、最精確的電磁場–而不是晶體管。

來自維也納大學理論物理研究所的Joachim Burgdörfer教授指出：“所研究的材料最初根本不導電。這些材料被一個波長在極紫外範圍內的超短激光脈衝擊中。這個激光脈衝將電子轉移到一個更高的能級，這樣它們就能突然自由移動。這樣一來，激光脈沖在短時間內將材料變成了電導體。”只要材料中存在自由移動的電荷載流子它們就能被第二個稍長的激光脈沖向某個方向移動。這就產生了電流，然後可以用材料兩邊的電極進行檢測。

這些過程發生得非常快，在阿秒或飛秒的時間尺度上。Christoph Lemell教授表示：“在很長一段時間裡，這種過程被認為是瞬間發生的。然而，今天我們有必要的技術來詳細研究這些超快過程的時間演變。關鍵問題是：材料對激光的反應有多快？信號的產生需要多長時間以及在材料可以接觸到下一個信號之前需要等待多長時間？實驗是在Garching和Graz進行的，理論工作和復雜的計算機模擬則是在TU Wien進行的。

時間或能量–但不能同時進行

該實驗導致了一個典型的不確定性困境，這在量子物理學中經常發生：為了提高速度需要極短的紫外激光脈衝，這樣自由電荷載流子就會很快產生。然而使用極短的脈衝意味著轉移到電子上的能量並沒有精確定義。電子可以吸收非常不同的能量。Christoph Lemell說道：“我們可以準確地知道自由電荷載流子是在哪個時間點產生的，但不知道它們是在哪個能量狀態。固體有不同的能帶，在短激光脈衝下，許多能帶不可避免地同時被自由電荷載流子填充。”

根據攜帶的能量的多少，電子對電場的反應相當不同。如果它們的確切能量是未知的就不再可能精確地控制它們，而產生的電流信號就會被扭曲–尤其是在高激光強度下。

Joachim Burgdörfer稱：“事實證明，大約1 petahertz是受控光電過程的上限。當然，這並不意味著有可能生產出時鐘頻率略低於1 petahertz的計算機芯片。現實的技術上限很可能要低得多。儘管決定光電子學最終速度極限的自然法則不能被超越，但現在可以用複雜的新方法對其進行分析和理解。”