Estremamente breve, impulsi di luce configurabili a "femtosecondi" dimostrati da un team internazionale potrebbero portare a futuri computer che funzioneranno fino a 100, 000 volte più veloce dell'elettronica di oggi.

I ricercatori, compresi gli ingegneri dell'Università del Michigan, hanno dimostrato di poter controllare i picchi all'interno degli impulsi laser e anche distorcere la luce.

Il metodo sposta gli elettroni più velocemente e in modo più efficiente rispetto alle correnti elettriche e con effetti affidabili sui loro stati quantistici. È un passo verso la cosiddetta "elettronica a onde luminose" e, in un futuro più lontano, informatica quantistica, disse Macillo Kira, U-M professore di ingegneria elettrica e informatica che è stato coinvolto nella ricerca.

Elettroni che si muovono attraverso un semiconduttore in un computer, ad esempio, occasionalmente incorrere in altri elettroni, liberando energia sotto forma di calore. Ma un concetto chiamato elettronica delle onde luminose propone che gli elettroni potrebbero essere guidati da impulsi laser ultraveloci. Mentre l'alta velocità in un'auto rende più probabile che un guidatore si schianti contro qualcosa, l'alta velocità per un elettrone può rendere il tempo di viaggio così breve che è statisticamente improbabile che colpisca qualcosa.

"Negli ultimi anni, noi e altri gruppi abbiamo scoperto che il campo elettrico oscillante di impulsi laser ultracorti può effettivamente spostare gli elettroni avanti e indietro nei solidi, " ha detto Rupert Huber, professore di fisica all'Università di Regensburg che ha condotto l'esperimento. "Tutti sono stati immediatamente entusiasti perché si potrebbe sfruttare questo principio per costruire futuri computer che funzionino a frequenze di clock senza precedenti, da 10 a centomila volte più veloci dell'elettronica all'avanguardia".

Ma prima, i ricercatori devono essere in grado di controllare gli elettroni in un semiconduttore. Questo lavoro fa un passo avanti verso questa capacità mobilitando gruppi di elettroni all'interno di un cristallo semiconduttore usando la radiazione terahertz, la parte dello spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce infrarossa.

I ricercatori hanno puntato impulsi laser in un cristallo di seleniuro di gallio semiconduttore. Questi impulsi erano molto brevi a meno di 100 femtosecondi, o 100 quadrilionesimi di secondo. Ogni impulso portava gli elettroni nel semiconduttore a un livello di energia più elevato, il che significava che erano liberi di muoversi, e li portava avanti. I diversi orientamenti del cristallo semiconduttore rispetto agli impulsi significavano che gli elettroni si muovevano in direzioni diverse attraverso il cristallo, ad esempio, potrebbero correre lungo i legami atomici o tra di loro.

"I diversi paesaggi energetici possono essere visti come una strada piatta e diritta per gli elettroni in una direzione cristallina, ma per altri può sembrare più un piano inclinato di lato, " disse Fabian Langer, uno studente di dottorato in fisica a Ratisbona. "Ciò significa che gli elettroni non possono più muoversi nella direzione del campo laser ma eseguire il proprio movimento dettato dall'ambiente microscopico".

Quando gli elettroni emettevano luce mentre scendevano dal livello di energia superiore, i loro diversi viaggi si riflettevano nelle pulsazioni. Emettevano impulsi molto più brevi della radiazione elettromagnetica in entrata. Questi lampi di luce erano lunghi solo pochi femtosecondi.

Dentro un cristallo, sono abbastanza veloci da scattare istantanee di altri elettroni mentre si muovono tra gli atomi, e potrebbero anche essere usati per leggere e scrivere informazioni sugli elettroni. Per quello, i ricercatori dovrebbero essere in grado di controllare questi impulsi e il cristallo fornisce una gamma di strumenti.

"Ci sono oscillazioni veloci come le dita all'interno di un impulso. Possiamo spostare la posizione delle dita molto facilmente ruotando il cristallo, " disse Kira, il cui gruppo ha lavorato con i ricercatori dell'Università di Marburgo, Germania, interpretare l'esperimento di Huber.

Il cristallo potrebbe anche torcere o meno le onde luminose in uscita, a seconda del suo orientamento rispetto agli impulsi laser in arrivo.

Poiché gli impulsi a femtosecondi sono abbastanza veloci da intercettare un elettrone tra essere messo in uno stato eccitato e scendere da quello stato, possono essere potenzialmente utilizzati per calcoli quantistici utilizzando elettroni in stati eccitati come qubit.

"Per esempio, qui siamo riusciti a lanciare un elettrone contemporaneamente attraverso due percorsi di eccitazione, cosa che non è classicamente possibile. Questo è il mondo quantistico. Nel mondo quantistico, accadono cose strane, " disse Kira.

Un elettrone è abbastanza piccolo da comportarsi come un'onda oltre che come una particella, e quando è in uno stato eccitato, la sua lunghezza d'onda cambia. Poiché l'elettrone era in due stati eccitati contemporaneamente, quelle due onde interferivano l'una con l'altra e lasciavano un'impronta digitale nell'impulso di femtosecondi emesso dall'elettrone.

"Questo autentico effetto quantistico potrebbe essere visto negli impulsi a femtosecondi come nuovo, controllabile, frequenze e direzioni di oscillazione, " disse Kira. "Questa è ovviamente fisica fondamentale. Con le stesse idee potresti ottimizzare le reazioni chimiche. Potresti ottenere nuovi modi per archiviare informazioni o trasmettere informazioni in modo sicuro attraverso la crittografia quantistica".

Huber è particolarmente interessato alle telecamere stroboscopiche al rallentatore per rivelare alcuni dei processi più veloci in natura, come gli elettroni che si muovono all'interno degli atomi.

"I nostri solidi cristallini creano fantastiche sorgenti luminose in questo campo, con possibilità senza precedenti per la formazione di impulsi, " Egli ha detto.

Un documento sul lavoro, intitolato "Struttura temporale controllata dalla simmetria di campi portatori di alta armonia da un cristallo sfuso, " sarà pubblicato in Fotonica della natura . La ricerca è finanziata dal Consiglio europeo della ricerca e dalla Fondazione tedesca per la ricerca.