Naukowcy redefiniują prawo Kirchhoffa dzięki tranzystorowemu laserowi

źródło: http://www.physorg.com

Chociaż prawa fizyki wydają się niezłomne, czasami pojawia się konieczność ich zweryfikowania, a nawet przedefiniowania. Prawo Kirchhoffa, dotyczące przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego, zostało sformułowane praktycznie od nowa dzięki 3-portowemu tranzystorowemu laserowi (laser wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej dla półprzewodników), opracowanemu przez Miltona Fenga i Nicka Holonyaka z Uniwersytetu w Illinois.

Dzięki laserowi tranzystorowemu naukowcy mogą odkrywać zachowania fotonów, elektronów i półprzewodników. Urządzenie to może kształtować przyszłość szybkiego przetwarzania sygnałów, obwodów zintegrowanych, komunikacji optycznej i innych aplikacji. Jednakże wykorzystanie tych możliwości zależy w dużym stopniu od zrozumienia fizycznych aspektów urządzenia i danych generowanych przez tranzystorowy laser, które nie mieszczą się w zakresie ogólnie przyjętych praw dotyczących obwodów elektrycznych.

Źródło :Wikipedia Prawo Kirchhoffa: I1+I2+I3=I4+I5+I6

"Byliśmy bardzo zdziwieni" - mówi Feng, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej. "Jak to działa? Czy to przeczy prawom Kirchhoffa? W jaki sposób dalej rozpatrywać to prawo? Czy zmienić punkt widzenia?"

Obowiązujące prawo Kirchhoffa zostało sformułowane przez Gustawa Kirchhoffa w 1845r. Mówi o tym, że suma prądów (wartości ich natężeń) na wejściu węzła jest równa sumie wartości natężeń prądów na jego wyjściu. Rozważania opierające się o standardowy tranzystor bipolarny dotyczące aspektu elektrycznego są bardzo oczywiste. Laserowy tranzystor dodaje na wyjście trzeci "port" optyczny emitujący światło.

Pojawiła się tu zagadka dla naukowców pracujących z laserem: W jaki sposób zachowała się idea prawa zachowania ładunku i konwersji energii przy dwóch rodzajach "wyjścia" energii?

Sygnał optyczny jest połączony i zależny od sygnałów elektrycznych, lecz dotąd kwestia optyczna była pomijana w tranzystorach - mowi Holonyak.

Pierwsze prawo Kirchhoffa dotyczy równoważnia natężeń prądu, ale nie zajmuje się bilansowaniem energii w węźle. Pojawia się pytanie: czy możne te kwestie połączyć i reprezentować dalej w obecnym ujęciu?

Ze względu na unikalne właściwości lasera tranzystorowego naukowcy ponownie przebadali i zmodyfikowali prawa w celu uwzględnienia zarówno fotonów jak i elektronów. W efekcie prawo uległoby rozszerzeniu z prawa prądu do prawa zachowania prądu-energii. Ich praca została opublikowana w 'Journal of Applied Physics' dostępnym od 10 maja.

Feng mówi, że poprzednie prawo dotyczyło rozpatrywania obwodów z perspektywy cząstek - elektronów wychodzących z określonego punktu. "Nigdy natomiast nie prowadzono rozważań dotyczących aspektów energii, które po prostu zawsze były uważane za prawdziwe."

Według Fenga symulacje oparte na zmodyfikowanym prawie pasują do danych zbieranych przez laser tranzystorowy, co pozwala naukowcom przewidzieć przepustowości, prędkości i inne właściwości układów scalonych. Dzięki dokładnym symulacjom, zespół może kontynuować badania nad zastosowaniami w układach scalonych i superkomputerach.

illinois.edu

physorg.com