La ricerca condotta dal Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge ha identificato un materiale che potrebbe aiutare a contrastare la velocità e l'energia, le due maggiori sfide per i computer del futuro.

La ricerca nel campo dell'informatica basata sulla luce, che utilizza la luce invece dell'elettricità per il calcolo per superare i limiti dei computer odierni, si sta muovendo rapidamente, ma rimangono barriere nello sviluppo della commutazione ottica, il processo mediante il quale la luce sarebbe facilmente "accesa" e "spenta", riflettendo o trasmettendo la luce su richiesta.

Lo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , mostra che un materiale noto come Ta ₂ NiSe ₅ poteva passare da una finestra a uno specchio in un quadrilionesimo di secondo quando colpito da un breve impulso laser, aprendo la strada allo sviluppo della commutazione ultraveloce nei computer del futuro.

Il materiale sembra un pezzo di mina e funge da isolante a temperatura ambiente, il che significa che quando la luce infrarossa colpisce il materiale in questo stato isolante, passa dritto come una finestra. Però, quando riscaldato, la materia diventa un metallo che fa da specchio e riflette la luce.

"Sapevamo che Ta ₂ NiSe ₅ poteva passare da una finestra a uno specchio quando si riscaldava, ma riscaldare un oggetto è un processo molto lento, " ha detto il dottor Akshay Rao, Docente della Harding University presso il Cavendish Laboratory, che ha condotto la ricerca. "Ciò che i nostri esperimenti hanno dimostrato è che un breve impulso laser può anche innescare questo 'capovolgimento' in soli 10 ^-15 secondi. Questo è un milione di volte più veloce degli switch nei nostri computer attuali".

I ricercatori stavano esaminando il comportamento del materiale per mostrare l'esistenza di una nuova fase della materia chiamata "isolante eccitonico", che è stato sperimentalmente difficile da trovare da quando è stato teorizzato per la prima volta negli anni '60.

"Questa fase isolante eccitonica assomiglia per molti versi a un normalissimo isolante, ma un modo per distinguere tra un isolante insolito e ordinario è vedere esattamente quanto tempo impiega per diventare un metallo, " ha detto Rao. "Per la questione normale, passare da un isolante a un metallo è come sciogliere un cubetto di ghiaccio. Gli atomi stessi spostano posizioni e si riorganizzano, rendendolo un processo lento. Ma in un isolante eccitonico, questo potrebbe accadere molto velocemente perché gli atomi stessi non hanno bisogno di muoversi per cambiare fase. Se potessimo trovare un modo per misurare la velocità con cui si verifica questa transizione, potremmo potenzialmente smascherare l'isolante eccitonico."

Per fare questi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato una sequenza di impulsi laser molto brevi per prima perturbare il materiale e poi misurare come è cambiata la sua riflessione. A temperatura ambiente, hanno scoperto che quando Ta ₂ NiSe ₅ è stato colpito da un forte impulso laser, ha subito esibito le firme dello stato metallico, diventando uno specchio su una scala temporale più veloce di quanto potrebbero risolvere. Ciò ha fornito una forte evidenza della natura isolante eccitonica di Ta ₂ NiSe ₅ .

"Non solo questo lavoro rimuove il camuffamento del materiale, aprendo ulteriori studi sul suo insolito comportamento quantomeccanico, evidenzia anche la capacità unica di questo materiale di agire come un interruttore ultraveloce, " ha detto il primo autore Hope Bretscher, anche dal Laboratorio Cavendish. "Infatti, affinché l'interruttore ottico sia efficace, non solo deve passare rapidamente dalla fase isolante a quella metallica, ma anche il processo inverso deve essere veloce.

"Abbiamo scoperto che Ta ₂ NiSe ₅ tornato rapidamente a uno stato isolante, molto più veloce di altri materiali per interruttori candidati. Questa capacità di passare dallo specchio, alla finestra, specchiarsi di nuovo, lo rendono estremamente allettante per le applicazioni informatiche."

"La scienza è un processo complicato e in continua evoluzione e pensiamo di essere stati in grado di fare un passo avanti con questa discussione. Non solo ora possiamo comprendere meglio le proprietà di questo materiale, ma abbiamo anche scoperto un'interessante potenziale applicazione per esso, ", ha affermato il co-autore, il professor Ajay Sood, dell'Indian Institute of Science di Bangalore.

"Pur praticamente producendo interruttori quantistici con Ta ₂ NiSe ₅ potrebbe essere ancora molto lontano, aver identificato un nuovo approccio alla crescente sfida della velocità del computer e dell'uso di energia è uno sviluppo entusiasmante, " ha detto Rao.