الإلكترونات في سرعتها القصوى


الإلكترونات  لقد أصبحت المكونات الإلكترونيّة متزايدة السُّرعة مع مرور الوقت، وبالتالي أصبحت صناعة أجهزة كومبيوتر أو حواسيب قويةٍ وتقنياتٍ أخرى أمرًا ممكنًا. يدرس الآن باحثو المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (EHT Zurich) كيف يمكن التَّحكم بالإلكترونات المندفعة بالمجالات الكهربائيَّة. وتوقعاتهم للمستقبل تتجه نحو إلكترونيات البيتاهرتز.

 

 

download-2

 

 

قد لا تكون السُّرعة هي السِّحر، لكنها الأساس للتقنيات التي غالبًا ما تبدو كالسِّحر. أجهزة الكومبيوتر أو الحواسيب الحديثة على سبيل المثال التي تبدو على هذا القدر من القوّة، بداخلها مُبدلات متناهية الصِّغر توجّه أو توصل التّيارات الكهربائيَّة في أجزاء من المليار من الثّانية.

تدفُّقات البيانات المدهشة للإنترنت من جهة أخرى ممكنةٌ فقط لأنَّ المُغيرات الكهروبصريَّة عالية السُّرعة يُمكنها إرسال المعلومات من خلال كابلات ألياف ضوئيَّة على شكل نبضاتٍ ضوئيَّةٍ قصيرةٍ جدًا. تعمل الدوائر الإلكترونية الحديثة بالفعل بشكل روتيني على ترددات عدة جيجاهيرتز (مليار ذبذبة لكل ثانية) حتى تيراهيرتز (ألف مليار ذبذبة في الثانية).

 

 

download-1

 

 

وبالتالي ينبغي على الجيل القادم من الإلكترونيات أن يصل عاجلًا أم آجلًا إلى عالم البيتاهيرتز، وهو لا يزال أسرع ألف مرة. إذا وكيف يمكن التَّحكم في الإلكترونات بهذه السُّرعة؟

لا يزال أمرًا مجهولًا إلى حدٍّ كبيرٍ، لكن في تجربة رائدةٍ يبحث فريق بقيادة (أورسولا كيلر-Ursula Keller) الأستاذ في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا كيف تتفاعل الإلكترونات مع مجالات البيتاهيرتز.

في تجربتهم عرّض كيلر والباحثون قطعةً صغيرةً جدًا من الماس سُمكها 50 نانومتر فقط لنبضة ليزر من الأشعة تحت الحمراء دامت لبضع فيمتوثانية (أي جزء من مليون مليار من الثانية). المجال الكهربائي لضوء الليزر ذاك، ذو تردد يقدَّر بحوالي نصف بيتاهيرتز، تذبذبت في ذلك الوقت القصير خمس مراتٍ جيئةً وذهابًا وهكذا استثارت الإلكترونات.

 

 

download

 

بشكلٍ عام يمكن قياس تأثير الحقول الكهربائيَّة على الإلكترونات في موادٍ شفافةٍ بشكل مباشر بواسطة إرسال ضوءٍ من خلال المواد ومن ثمَّ رصد مدى قوة امتصاص المادة له (الضَّوء). في حين أن مثل هذه القياسات سهلة للحقول الكهربائيَّة المستمرَّة، إنَّ الحقول المتذبذبة بسرعةٍ فائقةٍ لشعاع الليزر تُشكِّل تحديًا صعبًا للباحثين.

مبدئيًا الضّوء المُستخدم لقياس الامتصاص ينبغي تشغيله فقط لجزءٍ من فترة ذبذبة واحدة للحقل الكهربائي. وهذا بدوره يعني أنَّ نبضة المجسّ قد تدوم لأقل من فيمتوثانية. علاوة على ذلك، حالة ذبذبة المجال الكهربائي لنبضة الليزر يجب معرفتها بالضّبط عند تشغيل نبضة المجسّ.