Frequenze più elevate significano trasferimento dati più veloce e processori più potenti, la formula che guida da anni il settore IT. tecnicamente, però, è tutt'altro che facile continuare ad aumentare le frequenze di clock e le frequenze radio. Nuovi materiali potrebbero risolvere il problema. Gli esperimenti all'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno ora prodotto un risultato promettente:un team internazionale di ricercatori è riuscito a ottenere un nuovo materiale per aumentare la frequenza di un lampo di radiazione terahertz di un fattore sette:un primo passo per il potenziale applicazioni informatiche, come riporta il gruppo sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Quando gli smartphone ricevono dati e i chip dei computer eseguono calcoli, tali processi comportano sempre campi elettrici alternati che inviano elettroni su percorsi chiaramente definiti. Frequenze di campo più elevate significano che gli elettroni possono svolgere il loro lavoro più velocemente, consentendo velocità di trasferimento dati più elevate e una maggiore velocità del processore. Il massimale attuale è la gamma di terahertz, ecco perché i ricercatori di tutto il mondo sono desiderosi di capire come i campi di terahertz interagiscono con nuovi materiali. "La nostra struttura TELBE terahertz a HZDR è una fonte eccezionale per studiare queste interazioni in dettaglio e identificare materiali promettenti, " dice Jan-Christoph Deinert dell'HZDR's Institute of Radiation Physics. "Un possibile candidato è l'arseniuro di cadmio, Per esempio."

Il fisico ha studiato questo composto insieme a ricercatori di Dresda, Colonia, e Shangai. Arseniuro di cadmio (Cd ₃ Come ₂ ) appartiene al gruppo dei cosiddetti materiali Dirac tridimensionali, in cui gli elettroni possono interagire in modo molto rapido ed efficiente, sia tra loro che con campi elettrici alternati rapidamente oscillanti. "Eravamo particolarmente interessati a sapere se l'arseniuro di cadmio emette anche radiazioni terahertz a nuova, frequenze più alte, " spiega lo scienziato della linea di luce TELBE Sergey Kovalev. "Lo abbiamo già osservato con grande successo nel grafene, un materiale Dirac bidimensionale." I ricercatori sospettavano che la struttura elettronica tridimensionale dell'arseniuro di cadmio avrebbe aiutato a raggiungere un'elevata efficienza in questa conversione.

Per testare questo, gli esperti hanno utilizzato un processo speciale per produrre piastrine ultrasottili di elevata purezza da arseniuro di cadmio, che hanno poi sottoposto a impulsi terahertz dalla struttura TELBE. I rivelatori dietro la parte posteriore della piastrina hanno registrato come l'arseniuro di cadmio ha reagito agli impulsi di radiazione. Il risultato:"Siamo stati in grado di dimostrare che l'arseniuro di cadmio agisce come un moltiplicatore di frequenza altamente efficace e non perde la sua efficienza, nemmeno sotto gli impulsi terahertz molto forti che possono essere generati a TELBE, " riferisce l'ex ricercatore HZDR Zhe Wang, che ora lavora all'Università di Colonia. L'esperimento è stato il primo in assoluto a dimostrare il fenomeno della moltiplicazione della frequenza dei terahertz fino alla settima armonica in questa classe di materiali ancora giovane.

Gli elettroni ballano al loro ritmo

Oltre alle evidenze sperimentali, il team, insieme ai ricercatori dell'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi, ha anche fornito una descrizione teorica dettagliata di ciò che è accaduto:gli impulsi terahertz che colpiscono l'arseniuro di cadmio generano un forte campo elettrico. "Questo campo accelera gli elettroni liberi nel materiale, " Deinert descrive. "Immagina un numero enorme di minuscole palline d'acciaio che rotolano su un piatto che viene ribaltato da un lato all'altro molto velocemente".

Gli elettroni nell'arseniuro di cadmio rispondono a questa accelerazione emettendo radiazioni elettromagnetiche. La cosa cruciale è che non seguono esattamente il ritmo del campo terahertz, ma oscillare su strade un po' più complicate, che è una conseguenza della struttura elettronica insolita del materiale. Di conseguenza, gli elettroni emettono nuovi impulsi terahertz a multipli interi dispari della frequenza originale, un effetto non lineare simile a un pianoforte:quando premi il tasto A sulla tastiera, lo strumento non solo suona il tasto che hai suonato, ma anche un ricco spettro di sfumature, le armoniche.

Per un mondo post 5G

Il fenomeno promette numerose applicazioni future, per esempio nella comunicazione senza fili, che tende verso frequenze radio sempre più elevate in grado di trasmettere molti più dati rispetto ai canali convenzionali di oggi. Il settore sta attualmente implementando lo standard 5G. I componenti realizzati con i materiali Dirac potrebbero un giorno utilizzare frequenze ancora più elevate e quindi consentire una larghezza di banda ancora maggiore rispetto al 5G. La nuova classe di materiali sembra essere interessante anche per i futuri computer, come potrebbero fare i componenti basati su Dirac, in teoria, facilitano frequenze di clock più elevate rispetto alle odierne tecnologie basate sul silicio.

Ma prima, la scienza di base dietro di esso richiede ulteriori studi. "Il risultato della nostra ricerca è stato solo il primo passo, " sottolinea Zhe Wang. "Prima di poter immaginare applicazioni concrete, dobbiamo aumentare l'efficienza dei nuovi materiali." A tal fine, gli esperti vogliono scoprire come possono controllare la moltiplicazione di frequenza applicando una corrente elettrica. E vogliono drogare i loro campioni, cioè arricchirli con atomi estranei, nella speranza di ottimizzare la conversione di frequenza non lineare.