Optoelektronik Cihazlar Ne Kadar Hızlı Çalışabilir?

Hızlı çalışan mikroelektronik cihazlar, elektromanyetik alan aracılığıyla kontrol edilir. Örneğin bir transistörün elektrik akımının geçmesine izin verip vermeyeceği, elektrik alan aracılığıyla kontrol edilebilir. Elektrik alanının uygulanıp uygulanmamasına bağlı olarak transistörün davranışı değişir.

Elektronik cihazların ne kadar hızlı çalışabileceği hakkında fikir edinmek isteyen araştırmacılar doğal olarak lazerlere yönelmişler. Çünkü ışık ışınları beraberlerinde elektromanyetik alan taşır ve ışık hızıyla yol alan kısa süreli lazer atımları, elektromanyetik alanları açıp kapamanın en hızlı ve en hassas yolunu sağlar.

Günümüzde lazerler femtosaniye (10-15 saniye) ve hatta attosaniye (10-18 saniye) zaman aralığında atım üretebiliyor. Geçmişte bu kadar hızlı gerçekleşen süreçler “anlık” olarak adlandırılırdı. Ancak günümüzde bu kadar kısa süreler içinde meydana gelen fiziksel süreçlerin incelenmesine imkân veren teknolojiler var. Elektronik cihazların ne kadar hızlı çalışabileceği hakkında fikir edinmek için cevap verilmesi gereken sorularsa şunlar: “Malzeme lazer ışığına hangi hızla tepki verir?”, “Elektrik sinyalinin ortaya çıkması ne kadar zaman alır?” ve “İkinci bir sinyal üretmek için ilk sinyalden sonra ne kadar beklenmesi gerekir?”. Araştırmacıların bu sorulara cevap bulmak için yaptığı deneysel ve kuramsal çalışmalar, elektronik cihazların çalışma hızını sınırlandıran temel fizik yasasının belirsizlik ilkesi olduğunu gösteriyor.

Belirsizlik ilkesinin sonuçlarından biri de zamandaki ve enerjideki belirsizliklerin biri arttığında diğerinin azalmasıdır. Başka bir deyişle zamandaki belirsizlik ne kadar azsa enerjideki belirsizlik o kadar çoktur, zamandaki belirsizlik ne kadar çoksa enerjideki belirsizlik o kadar azdır. Bu ilkenin lazer ışınları için anlamı, lazer atımları ne kadar kısa süre içinde üretiliyorsa enerjilerindeki belirsizliğin o kadar çok olacağıdır. Bu durum, lazer atımları ne kadar kısa süre içinde üretilebiliyorsa ışınlarından elektronlara aktarılan enerji miktarındaki belirsizliğin de o kadar artacağı anlamına gelir. Böylece elektrik akımlarını lazer ışınlarıyla hassas bir biçimde kontrol etmek zorlaşır. 

M. Ossiander ve arkadaşlarının Nature Communications’ta yayımladıkları sonuçlara göre, elektronik cihazları 1015 Hertz’in üzerindeki hızlarda hassas biçimde kontrol ederek yararlı amaçlar için kullanmak mümkün değil. Ayrıca araştırmacılar doğa yasalarının izin verdiği hız limitlerine ulaşmanın çok zor olduğunu, gerçeğe dönüştürülebilecek elektronik cihazların muhtemelen çok daha yavaş çalışacağını belirtiyorlar.