Il funzionamento dei componenti per i futuri computer ora può essere filmato in qualità HD, per così dire. Manish Garg e Klaus Kern, ricercatori del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, hanno sviluppato un microscopio per i processi estremamente veloci che avvengono su scala quantistica. Questo microscopio, una sorta di telecamera HD per il mondo quantistico, consente il tracciamento preciso dei movimenti degli elettroni fino al singolo atomo. Dovrebbe quindi fornire spunti utili quando si tratta di sviluppare componenti elettronici estremamente veloci ed estremamente piccoli, Per esempio.

I processi che avvengono nel mondo quantistico rappresentano una sfida anche per i fisici più esperti. Per esempio, le cose che accadono all'interno dei componenti sempre più potenti di computer o smartphone non solo accadono in tempi estremamente rapidi ma anche all'interno di uno spazio sempre più piccolo. Quando si tratta di analizzare questi processi e ottimizzare i transistor, Per esempio, i video degli elettroni sarebbero di grande beneficio per i fisici. Per realizzare questo, i ricercatori hanno bisogno di una telecamera ad alta velocità che esponga ogni fotogramma di questo "video elettronico" per poche centinaia di attosecondi. Un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo; a quel tempo, la luce può percorrere solo la lunghezza di una molecola d'acqua. Per un certo numero di anni, i fisici hanno utilizzato impulsi laser di lunghezza sufficientemente corta come fotocamera ad attosecondi.

Nel passato, però, un'immagine ad attosecondi forniva solo un'istantanea di un elettrone su quello che era essenzialmente uno sfondo sfocato. Ora, grazie al lavoro di Klaus Kern, Direttore del Max Planck Institute for Solid State Research, e Manish Garg, uno scienziato del dipartimento di Kern, i ricercatori possono ora anche identificare con precisione dove si trova l'elettrone filmato fino al singolo atomo.

Impulsi laser ultracorti combinati con un microscopio a effetto tunnel

Per fare questo, i due fisici utilizzano impulsi laser ultracorti in combinazione con un microscopio a scansione a effetto tunnel. Quest'ultimo raggiunge una risoluzione su scala atomica scansionando una superficie con una punta che a sua volta è idealmente costituita da un solo atomo. Tunnel di elettroni tra la punta e la superficie, cioè attraversano lo spazio intermedio anche se in realtà non hanno abbastanza energia per farlo. Poiché l'efficacia di questo processo di tunneling dipende fortemente dalla distanza che gli elettroni devono percorrere, può essere utilizzato per misurare lo spazio tra la punta e un campione e quindi per rappresentare anche singoli atomi e molecole su una superficie. Fino ad ora, però, i microscopi a scansione a effetto tunnel non hanno raggiunto una risoluzione temporale sufficiente per tracciare gli elettroni.

"Combinando un microscopio a scansione a effetto tunnel con impulsi ultraveloci, è stato facile sfruttare i vantaggi dei due metodi per compensare i rispettivi svantaggi, " dice Manish Garg. I ricercatori sparano questi impulsi di luce estremamente brevi sulla punta del microscopio, che è posizionata con precisione atomica, per innescare il processo di tunneling. Di conseguenza, questa telecamera ad alta velocità per il mondo quantistico può ora raggiungere anche la risoluzione HD.

Aprendo la strada all'elettronica a onde luminose, che è milioni di volte più veloce

Con la nuova tecnica, i fisici possono ora misurare esattamente dove si trovano gli elettroni in un momento specifico fino al singolo atomo e con una precisione di poche centinaia di attosecondi. Per esempio, questo può essere usato in molecole alle quali è stato catapultato fuori un elettrone da un impulso di luce ad alta energia, portando i rimanenti portatori di carica negativa a riorganizzarsi e possibilmente facendo entrare la molecola in una reazione chimica con un'altra molecola. "Filmando gli elettroni nelle molecole vivono, e sulla loro naturale scala spaziale e temporale, è fondamentale per comprendere la reattività chimica, Per esempio, e la conversione dell'energia luminosa all'interno di particelle cariche, come elettroni o ioni, "dice Klaus Kern, Direttore del Max Planck Institute for Solid State Research.

Inoltre, la tecnica non solo consente ai ricercatori di tracciare il percorso degli elettroni attraverso i processori e i chip del futuro, ma può anche portare a una drammatica accelerazione dei portatori di carica:"Nei computer di oggi, gli elettroni oscillano alla frequenza di un miliardo di hertz, " dice Klaus Kern. "Utilizzando impulsi di luce ultracorti, potrebbe essere possibile aumentare la loro frequenza fino a un trilione di hertz." Con questo turbo booster per onde luminose, i ricercatori potrebbero aprire la strada all'elettronica a onde luminose, che è milioni di volte più veloce dei computer attuali. Perciò, il microscopio ultraveloce non solo filma i processi nel mondo quantistico, ma agisce anche come Direttore interferendo con questi processi.