Illustrazione di come si può immaginare che gli elettroni si muovano tra due bracci di una nanoantenna metallica, guidato da un'onda luminosa a ciclo singolo. Credito:Università di Costanza
Un team europeo di ricercatori, tra cui fisici dell'Università di Costanza, ha trovato un modo per trasportare gli elettroni a volte al di sotto dell'intervallo dei femtosecondi manipolandoli con la luce. Ciò potrebbe avere importanti implicazioni per il futuro dell'elaborazione e dell'informatica dei dati.
Componenti elettronici contemporanei, che sono tradizionalmente basati sulla tecnologia dei semiconduttori al silicio, può essere acceso o spento entro 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). Da allora, aumentare ulteriormente la velocità con cui i dispositivi di commutazione elettronici possono essere aperti o chiusi utilizzando la tecnologia standard si è rivelata una sfida. Una recente serie di esperimenti, condotti presso l'Università di Costanza e riportati in una recente pubblicazione in Fisica della natura —dimostra che gli elettroni possono essere indotti a muoversi a velocità inferiori al femtosecondo, cioè più veloce di 10 -15 secondi, manipolandoli con onde luminose su misura.
"Questo potrebbe essere il lontano futuro dell'elettronica, "dice Alfred Leitenstorfer, Professore di Fenomeni Ultraveloci e Fotonica presso l'Università di Costanza (Germania) e coautore dello studio. "I nostri esperimenti con impulsi di luce a ciclo singolo ci hanno portato bene nella gamma degli attosecondi del trasporto di elettroni". La luce oscilla a frequenze almeno mille volte superiori a quelle raggiunte dai circuiti puramente elettronici:un femtosecondo corrisponde a 10 -15 secondi, che è la milionesima parte di un miliardesimo di secondo. Leitenstorfer e il suo team del Dipartimento di Fisica e del Centro per la fotonica applicata (CAP) dell'Università di Costanza ritengono che il futuro dell'elettronica risieda nei dispositivi plasmonici e optoelettronici integrati che operano nel regime del singolo elettrone a livello ottico, anziché a microonde. —frequenze. "Però, si tratta di una ricerca di base di cui stiamo parlando qui e potrebbero volerci 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, l'Università del Lussemburgo, Il CNRS-Université Paris Sud (Francia) e il Centre for Materials Physics (CFM-CSIC) e il Donostia International Physics Centre (DIPC) di San Sebastián (Spagna) che hanno collaborato a questo progetto è stato quello di sviluppare un set-up sperimentale per la manipolazione di luce ultracorta impulsi a scale di femtosecondi al di sotto di un singolo ciclo di oscillazione da un lato, e dall'altro per creare nanostrutture adatte a misurazioni ad alta precisione e manipolazione di cariche elettroniche. "Fortunatamente per noi, abbiamo strutture di prima classe a nostra disposizione proprio qui a Costanza, "dice Leitenstorfer, la cui squadra 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 Nanosistemi:Interaction and Interface to the Macroscale, abbiamo accesso a nanostrutture estremamente ben definite che possono essere create e controllate su scala nanometrica".
Commutatore elettronico superveloce
Il set-up sperimentale sviluppato dal team di Leitenstorfer e autore coordinatore Daniele Brida (ex leader di un gruppo di ricerca Emmy Noether presso l'Università di Costanza, ora professore all'Università del Lussemburgo) ha coinvolto antenne d'oro su nanoscala e un laser ultraveloce in grado di emettere cento milioni di impulsi di luce a ciclo singolo al secondo per generare una corrente misurabile. Il design a farfalla dell'antenna ottica ha consentito una concentrazione spazio-temporale sub-lunghezza d'onda e 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 dell'effetto tunnel degli elettroni fuori dal metallo e dell'accelerazione nel 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 su scale temporali inferiori alla 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 per mezzo di un trattamento dipendente dal tempo della struttura quantistica elettronica accoppiata al campo di luce.
Lo studio apre opportunità completamente nuove per comprendere come la luce interagisce con la materia condensata, consentendo l'osservazione di fenomeni quantistici su scale temporali e spaziali senza precedenti. Basandosi sul nuovo approccio alla dinamica degli elettroni guidato su scala nanometrica dai campi ottici che questo studio offre, i ricercatori passeranno allo studio del trasporto di elettroni su scale di tempo e lunghezza atomiche in dispositivi a stato solido ancora più sofisticati con dimensioni picometrie.
