电子传输的能有多快？当计算机芯片以越来越短的信号和时间间隔工作时，在某个时候它们会达到物理极限。在半导体材料中产生电流的量子力学需要一定时间才能实现，这限制了信号生成和传输的速度。
维也纳技术大学、格拉茨技术大学和位于加兴的Max Planck量子光学研究所现在正探索这些限制，即使用激光脉冲以最佳方式激发材料，电子速度也绝对不超过1千兆赫兹（100万千兆赫兹）。这一结果现已发表在科学期刊《Nature Communications》上。
电流和光（即电磁场）总是相互关联的。微电子学也是如此，在微芯片中，电是通过电磁场来控制的。例如，电场可以施加到晶体管上，随着电场的断开和闭合，晶体管也随之控制电流的流动。通过这种方式，电磁场被转换成电信号。
为了测试电磁场转化为电流的极限，使用激光脉冲——可用的最快、最精确的电磁场——代替晶体管。
“研究的材料最初根本不导电，” 维也纳技术大学理论物理研究所Joachim Burgdörfer教授解释说。“它们被波长在极紫外线范围内的超短激光脉冲击中。这种激光脉冲将电子转移到更高的能级，使它们可以突然自由移动。这样，激光脉冲在短时间内将该材料变成导体。”只要材料中有自由移动的载流子，它们就可以通过第二个稍长的激光脉冲朝某个方向移动。这会产生电流，然后可以通过位于材料两侧的电极检测到电流。
这一过程发生得非常快，时间单位为阿秒或飞秒。“在很长一段时间里，这一过程被认为是瞬时的，” 维也纳技术大学Christoph Lemell教授表示，“然而，今天我们有技术能力来详细研究这些超快过程的时间演化。”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？材料暴露在下一个信号之前需要等待多长时间？实验在格拉茨技术大学和Max Planck量子光学研究所进行，理论工作和复杂的计算机模拟在维也纳技术大学完成。
这个实验面临了一个经典的不确定性困境，这也经常发生在量子物理学中，即为了提高速度，需要极短的紫外激光脉冲，以便很快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无法精确定义。电子可以吸收非常不同的能量。Christoph Lemell教授表示：“我们可以准确地知道自由电荷载流子是在什么时间点产生的，但不能知道它们处于什么能量状态。固体有不同的能带，在短激光脉冲下，许多固体不可避免地同时被自由载流子填充。”
根据电子携带的能量大小，电子对电场的反应完全不同。如果它们的确切能量未知，就不可能再精确控制它们，产生的电流信号也会失真——尤其是在高激光强度下。
Joachim Burgdörfer教授表示：“事实证明，对于受控光电过程来说，大约1千兆赫兹是一个上限。”当然，这并不意味着可以生产时钟频率略低于1 PB的计算机芯片。现实的技术上限很可能要低得多。尽管决定光电子学终极速度极限的自然法则非常强大，但现在可以用精密的新方法对其进行分析和理解。
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