Un team internazionale di ricercatori dell'Università statale di Mosca (Russia), Laboratori Nazionali Sandia (Stati Uniti), e la Friedrich-Schiller University (Germania) hanno ideato un metamateriale sintonizzabile ultraveloce basato su nanoparticelle di arseniuro di gallio. Il loro studio è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Il nuovo metamateriale ottico apre la strada al trasferimento di informazioni ultraveloce su scala nanometrica.

I metamateriali ottici sono supporti artificiali che acquisiscono proprietà ottiche insolite a causa della nanostrutturazione. Da quasi 20 anni, i ricercatori hanno progettato molti dispositivi basati su metamateriali, compresi quelli che nascondono oggetti a quelli sensibili a piccole concentrazioni di sostanze. Però, dopo la fabbricazione, le proprietà dei metamateriali rimangono fisse. Il team ha trovato un modo per attivare e disattivare i metamateriali, " e lo fa molto rapidamente, più di 100 miliardi di volte al secondo.

I ricercatori hanno fabbricato il metamateriale da un sottile film di arseniuro di gallio mediante litografia a fascio di elettroni con successiva incisione al plasma. Il materiale è costituito da una serie di nanoparticelle di semiconduttori, che può concentrare in modo risonante e "trattenere" la luce su scala nanometrica. In altre parole, quando la luce illumina il metamateriale, è "intrappolato" all'interno delle nanoparticelle e interagisce in modo più efficiente con esse.

Il principio di funzionamento del metamateriale sintonizzabile ultraveloce risiede nella generazione di coppie elettrone-lacuna. Nello stato stazionario, il metamateriale è riflettente. Quindi, i ricercatori illuminano il metamateriale con un impulso laser ultracorto. La sua energia viene utilizzata per generare elettroni e vacanze elettroniche - "buchi" - nel materiale. La presenza di elettroni e lacune modifica le proprietà del metamateriale in modo che non sia più riflettente. In una frazione di secondo, elettroni e lacune scompaiono incontrandosi, e il metamateriale è di nuovo riflettente. In questo modo, è possibile costruire elementi di logica ottica, che apre anche la possibilità di creare computer ottici ultraveloci.

Nel 2015, una parte della stessa collaborazione ha riportato un dispositivo simile basato su nanostrutture di silicio. Nel loro nuovo studio, arseniuro di gallio è stato utilizzato al posto del silicio, che ha aumentato di un ordine di grandezza l'efficienza del controllo della luce attraverso la luce nei metamateriali.

Nel futuro, la ricerca potrebbe consentire la creazione di dispositivi di trasferimento delle informazioni con velocità di elaborazione di decine e centinaia di terabit al secondo. La dimostrazione di metamateriali semiconduttori sintonizzabili altamente efficienti è un passo significativo verso tali velocità di elaborazione delle informazioni.