7 апреля 2025 года, Иерусалим (TPS-IL) — В рамках прорывного прогресса в области квантовой механики и сверхбыстрой оптики израильские ученые представили новую технику, способную революционизировать технологии высокоскоростных вычислений и коммуникаций.
Исследование демонстрирует, как сильный лазерный импульс может вызвать изменения в фундаментальных свойствах материала в пределах аттосекунд — единицы времени настолько краткой, что свет пересекает только ширину атома водорода за это время.
«Как только мы научимся проследить ‘путешествие’ отдельных электронов между энергетическими уровнями в материале, мы сможем использовать свет и полученные знания о его воздействии для целенаправленного и точного изменения свойств материала в пределах сотен или десятков аттосекунд», — сказала профессор Нирит Дудович из Департамента физики сложных систем Института Вейцмана, возглавлявшая исследование.
«Основываясь на этой способности, могут быть разработаны самые быстрые процессоры, которые ускорят на порядки скорость передачи или обработки информации», — пояснила она.
Опубликованное в рецензируемом журнале Nature Photonics исследование сосредоточено вокруг прорывного открытия, что интенсивные лазерные импульсы могут быстро изменить поведение материала, переводя его из проводника в изолятор или меняя его прозрачность. Хотя такие преобразования ранее были поняты в теории, их регистрация в реальном времени была огромным вызовом из-за экстремальных временных масштабов.
Чтобы преодолеть эту преграду, команда Дудович разработала новую методику с двумя лазерными лучами. Аспиранты Омер Кенлер, Хен Мор и Ноа Яффе сыграли ключевую роль в разработке метода, который использует два точно синхронизированных лазерных луча. Первый луч, состоящий из относительно длинных импульсов, взаимодействовал с материалом для вызова желаемого изменения. Одновременно второй луч ультракоротких аттосекундных импульсов действует как камера высокой скорости, запечатлевая задержку при прохождении света через измененный материал. Объединяя данные из этих лучей и анализируя полученный интерференционный образ, команда смогла восстановить изменения в материале с невиданной точностью.
«Этот метод похож на навигационное приложение для электронов», — пояснила Дудович. «Точно так же, как приложения, например Waze, оценивают время путешествия, наш метод воссоздает ‘план путешествия’ электрона через материал, анализируя, насколько свет задерживался. Из этого мы узнаем, как энергетические уровни материала реагировали на свет».
Возможность отслеживать путь электрона через материал и наблюдать, как изменяются энергетические уровни материала, открывает огромные новые возможности в области квантовой механики. Команда Дудович показала, что интенсивные лазерные импульсы могут разделять, объединять или перестраивать эти энергетические уровни в реальном времени. Прорыв не только наблюдение — он предоставляет инструмент для контроля физического состояния материала с точностью на квантовых скоростях.
Последствия этого исследования выходят далеко за пределы лаборатории. Возможность манипулировать и контролировать сверхбыстрые изменения свойств материалов имеет глубокие применения в разработке процессоров следующего поколения и технологий коммуникаций. «Открытия могут привести к разработке быстрых процессоров, которые ускорят скорость передачи или обработки информации на порядки», — подчеркнула Дудович.
Этот прорыв потенциально может привести к созданию процессоров, работающих на скоростях, значительно превышающих возможности современной технологии. Используя свет вместо электричества для манипулирования квантовыми состояниями материалов, эти процессоры смогут обрабатывать данные со скоростью оптических или даже аттосекундных, значительно увеличивая вычислительную мощность и энергоэффективность.
Помимо вычислений, новая техника обещает высокоскоростную коммуникацию и разработку квантовых устройств. Возможность манипулировать показателем преломления материалов на таких мелких масштабах может привести к созданию оптических переключателей и модуляторов, значительно превосходящих возможности текущей фиброоптической технологии.
