Negli ultimi decenni, i computer sono diventati più veloci e i dischi rigidi e i chip di archiviazione hanno raggiunto capacità enormi. Ma questa tendenza non può continuare per sempre. I limiti fisici impediscono alla tecnologia informatica basata sul silicio di ottenere ulteriori guadagni di velocità. I ricercatori sono ottimisti sul fatto che la prossima era di progressi tecnologici inizierà con lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie per l'elaborazione delle informazioni che combinano i circuiti elettrici con quelli ottici. Utilizzando brevi impulsi laser, un gruppo di ricerca guidato da Misha Ivanov del Max Born Institute di Berlino, insieme agli scienziati del Russian Quantum Center di Mosca, ha fatto luce sui processi estremamente rapidi che avvengono all'interno di questi nuovi materiali. I loro risultati appaiono in Fotonica della natura .

Di particolare interesse per la moderna ricerca sui materiali nella fisica dello stato solido sono i sistemi fortemente correlati, che mostrano forti interazioni tra gli elettroni. I magneti sono un buon esempio:gli elettroni nei magneti si allineano in una direzione di rotazione preferita all'interno del materiale, producendo il campo magnetico. Ma ce ne sono altri, ordini strutturali completamente diversi che meritano attenzione. Per esempio, nei cosiddetti isolanti Mott, gli elettroni dovrebbero fluire liberamente ei materiali dovrebbero quindi essere in grado di condurre elettricità così come i metalli. Ma l'interazione reciproca tra gli elettroni in questi materiali fortemente correlati impedisce il loro flusso, e quindi i materiali si comportano invece come isolanti.

Interrompendo questo ordine con un forte impulso laser, le proprietà fisiche possono essere fatte cambiare drasticamente. Questo può essere paragonato a una fase di transizione da solido a liquido, quando il ghiaccio si scioglie, Per esempio, i cristalli di ghiaccio rigidi si trasformano in molecole d'acqua a flusso libero. In modo molto simile, gli elettroni in un materiale fortemente correlato diventano liberi di fluire quando un impulso laser esterno forza una transizione di fase nel loro ordine strutturale. Tali transizioni di fase dovrebbero consentire ai ricercatori di sviluppare elementi di commutazione completamente nuovi per l'elettronica di prossima generazione che siano più veloci e potenzialmente più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai transistor attuali. In teoria, i computer potrebbero essere resi circa 1000 volte più veloci "caricando il turbo" dei loro componenti elettrici con impulsi luminosi.

Il problema con lo studio di queste transizioni di fase è che sono estremamente veloci, ed è quindi molto difficile coglierli sul fatto. Gli scienziati si sono dovuti accontentare di caratterizzare lo stato di un materiale prima e dopo una transizione di fase di questo tipo. Però, ricercatori Rui E. F. Silva, Olga Smirnova, e Misha Ivanov del Max Born Institute di Berlino hanno ora ideato un metodo che, nel senso più vero, far luce sul processo. La loro teoria prevede un tiro estremamente breve, impulsi laser su misura su un materiale:impulsi solo ora possibili nella qualità appropriata tramite gli ultimi sviluppi nel campo dei laser. Hanno osservato la reazione del materiale a questi impulsi per vedere come gli elettroni nel materiale sono eccitati in movimento, e, come una campana, emettono vibrazioni risonanti a frequenze specifiche come armoniche della luce incidente.

"Analizzando questo elevato spettro armonico, possiamo osservare dal vivo per la prima volta il cambiamento nell'ordine strutturale in questi materiali fortemente correlati, " afferma il primo autore Rui Silva del Max Born Institute. Le sorgenti laser in grado di innescare con precisione queste transizioni sono sviluppi recenti. Gli impulsi laser devono essere sufficientemente forti ed estremamente brevi, dell'ordine dei femtosecondi di durata (milionesimi di miliardesimo di secondo).

In alcuni casi, basta una singola oscillazione della luce per interrompere l'ordine elettronico di un materiale e trasformare un isolante in un conduttore simile al metallo. Gli scienziati dell'Istituto Max Born di Berlino sono tra i maggiori esperti mondiali nel campo degli impulsi laser ultracorti. "Se vogliamo usare la luce per controllare le proprietà degli elettroni in un materiale, quindi abbiamo bisogno di sapere esattamente come reagiranno gli elettroni agli impulsi luminosi, " spiega Ivanov. Con le sorgenti laser di ultima generazione, che consentono il pieno controllo del campo elettromagnetico anche fino ad una singola oscillazione, il metodo appena pubblicato consentirà approfondimenti sui materiali del futuro.