电子产品的速度能有多快？当计算机芯片以越来越短的信号和时间间隔工作时，在某些时候它们的速度会遇到物理限制。因为能够在半导体材料中产生电流的量子力学过程需要一定的时间，这限制了信号生成和信号传输的速度。

来自奥地利维也纳技术大学、格拉茨技术大学和马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员组成的研究小组现在已经能够探索这些限制：其速度绝对不会超过1拍赫兹(一百万吉赫兹)，即使材料以最优的方式被激光脉冲激发。他们的这一研究结果现已发表在最新的科学杂志《自然通讯》上。

电流和光(即电磁场)总是相互关联的，即使是在微电子领域也是如此。在微芯片中，电流是在电磁场的帮助下进行控制的。例如，可以将电场施加到晶体管上，根据电场的状态是打开还是关闭的，晶体管要么允许电流流动，要么阻止电流流动。通过这种方式，电磁场被转换为了电信号。研究人员为了测试这种将电磁场转换为电流的速度极限，他们使用了激光脉冲而不是晶体管来进行实验，这是可用的能产生最快、最精确的电磁场的技术。

维也纳技术大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释说：“研究的材料最开始是根本不导电的。它们被波长在极端紫外范围内的超短激光脉冲击中。这种激光脉冲能将电子转移到了更高的能级，这样它们就可以突然自由移动。通过这样做，激光脉冲能将材料变成短时间的电导体。”一旦材料中存在自由移动的电荷载流子，它们就可以通过第二个稍长的激光脉冲沿特定方向移动。这会导致产生电流，然后可以用材料两侧的电极检测到该电流。

这些过程发生得非常快，时间尺度为阿秒或飞秒。维也纳技术大学的Christoph Lemell教授说：“长期以来，这些过程被认为是瞬时的。然而今天，我们拥有必要的技术来详细研究这些超快过程的时间演变。”但关键问题是：材料对激光的反应速度有多快？信号产生需要多长时间？必须等多久才能将材料暴露在下一个信号中？他们的实验在马克斯·普朗克量子光学研究所和格拉茨技术大学进行，理论工作和复杂的计算机模拟是在维也纳技术大学完成的。

该实验导致了一个经典的不确定性困境，因为它经常出现在量子物理学中。为了提高速度，需要极短的紫外激光脉冲，以便能快速产生自由电荷载流子。然而，使用极短的脉冲意味着传递给电子的能量没有精确定义。电子可以吸收不同的能量。Christoph Lemell说：“我们可以准确地知道自由电荷载流子是在哪个时间点产生的，但不能确定它们处于哪种能量状态。固体具有不同的能带，并且在短激光脉冲下，其中许多能带会不可避免地同时被自由电荷载流子填充。”

根据它们携带能量的多少，电子对电场的反应完全不同。如果它们的确切能量未知，则不再可能精确的控制它们，并且产生的电流信号会失真，尤其是在高激光强度下失真更严重。

Joachim Burgdörfer说：“事实证明，大约1拍赫兹是受控光电过程的上限。”当然，这并不意味着可以生产出时钟频率只略低于1拍赫兹的计算机芯片，因为现实中的技术限制可能会让这一个值要低得多。尽管决定光电子学最终速度限制的自然法则无法超越，但现在可以用复杂的新方法对这一限制进行分析和理解。（编译:Qtech）