Un team internazionale guidato dall'Istituto di Scienza dei Materiali (ICMUV) dell'Università di Valencia ha sviluppato un interruttore ottico (quantico) che modifica le proprietà di emissione dei fotoni, le particelle di radiazione elettromagnetica. Il nuovo dispositivo funziona con tempi di commutazione ultrarapidi e consumi energetici molto bassi e, rispetto ad altri modelli, può essere implementato in una varietà di piattaforme di semiconduttori ed è di grande applicazione nelle attuali tecnologie quantistiche.

Il team coordinato da Guillermo Muñoz Matutano, recentemente reintegrato in ICMUV, ha pubblicato sulla rivista Fisica delle comunicazioni , del Gruppo Editoriale Natura, il design, costruzione, misura sperimentale e simulazione di questo interruttore di fotoni.

Il principio di funzionamento del dispositivo si basa sulla tecnologia di confinamento quantistico a semiconduttore nanostrutturato, che sono piccole strutture di dimensioni nanometriche in grado di assorbire ed emettere luce. Le proprietà ottiche di questi materiali, chiamati punti quantici, sono simili a quelli degli atomi isolati e la loro emissione di luce avviene da fotone a fotone. Sono molto interessanti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche, poiché fotoni isolati o coppie di fotoni possono essere utilizzati per riprodurre condizioni di sovrapposizione o entanglement.

Attualmente, una delle sfide scientifiche e tecnologiche in questo campo è rivolta allo sviluppo di porte logiche e circuiti ottici in grado di eseguire operazioni con fotoni, e in questo modo, lavorare e modificare le informazioni sotto la descrizione quantistica. Perciò, sono necessari strumenti e materiali che possono influenzare l'emissione di fotoni individualmente. Di tutti loro, quelli che manipolano e controllano i fotoni usando la luce sono molto interessanti, poiché possono essere costruiti sistemi concatenati o possono rappresentare grandi riduzioni del consumo di energia. Questo è il caso dei dispositivi completamente ottici.

L'idea principale del lavoro è nata dalla collaborazione con il ricercatore Massimo Gurioli, dell'Università di Firenze e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare. Nell'ambito di questa collaborazione sono stati studiati i processi di accumulo e saturazione della carica in punti quantici di arseniuro di indio (InAs) in base alla potenza e al colore del laser di illuminazione.

Una delle proprietà eccezionali del nuovo dispositivo è che accanto alla commutazione temporanea, è possibile aggiungere una commutazione del colore del fotone emesso (la sua lunghezza d'onda) se si utilizzano due laser diversi. Questa qualità ci permette di pensare a dispositivi per il multiplexing di fotoni per lunghezza d'onda (combinando due o più canali di informazione in un mezzo trasmissivo), in modo che ogni colore del fotone sia associato a uno di questi canali. Finalmente, il principio fisico con cui opera il dispositivo è soddisfatto da molte altre nanostrutture di confinamento quantistico, quindi questo nuovo design rappresenta uno schema generale che può essere implementato in un'ampia varietà di piattaforme di semiconduttori.

La ricerca svolta da una rete di università comprende l'Unità di materiali e dispositivi optoelettronici (UMDO) dell'ICMUV, guidato da Juan P. Martínez Pastor, Professore del Dipartimento di Fisica Applicata ed Elettromagnetismo. I materiali principali del dispositivo sono stati realizzati dal gruppo di Luca Saravalli, ricercatore presso il CNR italiano, mentre la simulazione del suo funzionamento è stata realizzata attraverso una collaborazione con Mattias Johnsson e Thomas Volz, dell'ARC Engineered Quantum Systems (EQUS) dell'Australia, dove Guillermo Muñoz ha lavorato come ricercatore senior negli ultimi tre anni.