Elettronica alla velocità della luce
Un team europeo di ricercatori, inclusi fisici dell’Università di Costanza, ha trovato il modo di trasportare elettroni a volte al di sotto della gamma dei femtosecondi manipolandoli con la luce. Ciò potrebbe avere importanti implicazioni per il futuro dell’elaborazione e dell’informatica dei dati.
I componenti elettronici contemporanei, che sono tradizionalmente basati sulla tecnologia dei semiconduttori al silicio, possono essere accesi o spenti in picosecondi (cioè 10-12 secondi). I telefoni cellulari e i computer standard funzionano a frequenze massime di diversi gigahertz (1 GHz = 10 9 Hz) mentre i singoli transistor possono avvicinarsi a un terahertz (1 THz = 10 12 Hz). Aumentare ulteriormente la velocità con cui i dispositivi di commutazione elettronici possono essere aperti o chiusi utilizzando la tecnologia standard ha da allora dimostrato una sfida. Una recente serie di esperimenti, condotti presso l’Università di Costanza e riportati in una recente pubblicazione su Nature Physics, dimostra che gli elettroni possono essere indotti a muoversi a velocità sub-femtosecondi, cioè più veloci di 10-15secondi, manipolandoli con onde luminose su misura .
“Questo potrebbe essere il lontano futuro dell’elettronica”, afferma Alfred Leitenstorfer, professore di Fenomeni ultraveloci e fotonica all’Università di Costanza (Germania) e coautore dello studio. “I nostri esperimenti con impulsi di luce a ciclo singolo ci hanno portato benissimo nel raggio di attosecondi del trasporto di elettroni.” La luce oscilla a frequenze almeno mille volte superiori a quelle ottenute da circuiti puramente elettronici : un femtosecondo corrisponde a 10-15secondi, che è la milionesima parte di un miliardesimo di secondo. Leitenstorfer e il suo team del Dipartimento di Fisica e del Center for Applied Photonics (CAP) dell’Università di Costanza credono che il futuro dell’elettronica risieda nei dispositivi plasmonici e optoelettronici integrati che operano nel regime a singolo elettrone in ottica – piuttosto che nel microonde -frequencies. “Tuttavia, questa è una ricerca di base di cui stiamo parlando qui e che potrebbe richiedere decenni per essere implementata”, avverte.
Una questione di controllo della luce e della materia
La sfida per il team internazionale di fisici teorici e sperimentali dell’Università di Costanza, dell’Università del Lussemburgo, CNRS-Université Paris Sud (Francia) e del Center for Materials Physics (CFM-CSIC) e Donostia International Physics Center (DIPC) in San Sebastián (Spagna) che ha collaborato a questo progetto è stato quello di sviluppare un set-up sperimentale per la manipolazione di impulsi di luce ultracorta su scale di femtosecondi al di sotto di un singolo ciclo di oscillazione da un lato, e per creare nanostrutture adatte per misurazioni e manipolazione elettroniche di alta precisione addebiti dall’altro. “Fortunatamente per noi, abbiamo strutture di prima classe a nostra disposizione proprio qui a Costanza”, afferma Leitenstorfer, il cui team ha condotto gli esperimenti. ” Il Center for Applied Photonics è una struttura leader a livello mondiale per lo sviluppo della tecnologia laser ultraveloce. E grazie al nostro Collaborative Research Center 767 Controlled Nanosystems: Interaction and Interfacing to the Macroscale, abbiamo accesso a nanostrutture estremamente ben definite che possono essere create e controllate su scala nanometrica. “
Interruttore elettronico superveloce
L’allestimento sperimentale sviluppato dal team di Leitenstorfer e dall’autore coordinatore Daniele Brida (ex capo di un gruppo di ricerca Emmy Noether all’Università di Costanza, ora professore all’Università del Lussemburgo) prevedeva antenne d’oro su nanoscala e un laser ultraveloce in grado di emettere cento milioni di impulsi luminosi a ciclo singolo al secondo al fine di generare una corrente misurabile. Il design a papillon dell’antenna ottica ha consentito una lunghezza sub-d’onda e una concentrazione spazio-temporale sub-ciclo del campo elettrico dell’impulso laser nello spazio di una larghezza di sei nm (1 nm = 10 -9 metri).
Come risultato del carattere altamente non lineare del tunneling di elettroni fuori dal metallo e dell’accelerazione sul divario nel campo ottico, i ricercatori sono stati in grado di commutare correnti elettroniche a velocità di circa 600 attosecondi (cioè meno di un femtosecondo , 1 come = 10 -18 secondi). “Questo processo si verifica solo a scale temporali inferiori a metà del periodo di oscillazione del campo elettrico dell’impulso luminoso”, spiega Leitenstorfer, un’osservazione che i partner del progetto a Parigi e San Sebastián sono stati in grado di confermare e mappare in dettaglio tramite di un trattamento dipendente dal tempo della struttura quantistica elettronica accoppiata al campo luminoso.
Lo studio apre nuove opportunità per comprendere come la luce interagisce con la materia condensata, consentendo l’osservazione di fenomeni quantistici su scale spaziali temporali e senza precedenti. Basandosi sul nuovo approccio alla dinamica degli elettroni guidato su scala nanometrica da campi ottici offerti da questo studio, i ricercatori passeranno a studiare il trasporto di elettroni a tempo atomico e scale di lunghezza in dispositivi a stato solido ancora più sofisticati con dimensioni picometre.
