Una ricerca di lunga data per la scienza e la tecnologia è stata quella di sviluppare elettronica ed elaborazione delle informazioni che operano vicino ai tempi più rapidi consentiti dalle leggi della natura.

Un modo promettente per raggiungere questo obiettivo consiste nell'utilizzare la luce laser per guidare il movimento degli elettroni nella materia e quindi utilizzare questo controllo per sviluppare elementi di circuiti elettronici, un concetto noto come elettronica a onde luminose.

Sorprendentemente, i laser attualmente ci consentono di generare esplosioni di elettricità su scale temporali di femtosecondi, ovvero in un milionesimo di miliardesimo di secondo. Eppure la nostra capacità di elaborare le informazioni in questi tempi ultraveloci è rimasta sfuggente.

Ora, i ricercatori dell'Università di Rochester e della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hanno compiuto un passo decisivo in questa direzione dimostrando una porta logica, l'elemento costitutivo del calcolo e dell'elaborazione delle informazioni, che opera su scale temporali di femtosecondi. L'impresa, riportata sulla rivista Natura , è stato ottenuto sfruttando e controllando in modo indipendente, per la prima volta, i portatori di carica reali e virtuali che compongono queste esplosioni di elettricità ultraveloci.

I progressi dei ricercatori hanno aperto la porta all'elaborazione delle informazioni al limite di petahertz, dove è possibile elaborare un quadrilione di operazioni di calcolo al secondo. È quasi un milione di volte più veloce dei computer odierni che funzionano con velocità di clock di gigahertz, dove 1 petahertz è 1 milione di gigahertz.

"Questo è un ottimo esempio di come la scienza fondamentale possa portare a nuove tecnologie", afferma Ignacio Franco, professore associato di chimica e fisica a Rochester che, in collaborazione con il dottorando Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , ha eseguito gli studi teorici che hanno portato a questa scoperta.

I laser generano scoppi di elettricità ultraveloci

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno imparato a sfruttare gli impulsi laser che durano pochi femtosecondi per generare esplosioni ultraveloci di correnti elettriche. Questo viene fatto, ad esempio, illuminando minuscoli fili a base di grafene che collegano due metalli d'oro. L'impulso laser ultracorto mette in moto, o "eccita", gli elettroni nel grafene e, soprattutto, li invia in una direzione particolare, generando così una corrente elettrica netta.

Gli impulsi laser possono produrre elettricità molto più velocemente di qualsiasi metodo tradizionale e lo fanno in assenza di tensione applicata. Inoltre, la direzione e l'intensità della corrente possono essere controllate semplicemente variando la forma dell'impulso laser (cioè cambiando la sua fase).

La svolta:sfruttare i vettori di ricarica reali e virtuali

I gruppi di ricerca di Franco e Peter Hommelhoff della FAU lavorano da diversi anni per trasformare le onde luminose in impulsi di corrente ultraveloci.

Nel tentativo di conciliare le misurazioni sperimentali a Erlangen con le simulazioni computazionali a Rochester, il team ha realizzato:nelle giunzioni oro-grafene-oro, è possibile generare due tipi — "reale" e "virtuale" — delle particelle che trasportano il cariche che compongono queste scariche di elettricità.

• I portatori di carica "reali" sono elettroni eccitati dalla luce che rimangono in movimento direzionale anche dopo lo spegnimento dell'impulso laser.
• I portatori di carica "virtuali" sono elettroni che sono impostati in movimento direzionale netto solo mentre l'impulso laser è attivo. In quanto tali, sono specie sfuggenti che vivono solo transitoriamente durante l'illuminazione.

Poiché il grafene è collegato all'oro, i portatori di carica sia reali che virtuali vengono assorbiti dal metallo per produrre una corrente netta.

Sorprendentemente, il team ha scoperto che, modificando la forma dell'impulso laser, potrebbero generare correnti in cui giocano un ruolo solo i portatori di carica reali o virtuali. In altre parole, non solo hanno generato due tipi di correnti, ma hanno anche imparato a controllarle in modo indipendente, una scoperta che aumenta drasticamente gli elementi di design nell'elettronica delle onde luminose.

Porte logiche tramite laser

Utilizzando questo panorama di controllo aumentato, il team è stato in grado di dimostrare sperimentalmente, per la prima volta, porte logiche che operano su una scala temporale di femtosecondi.

Le porte logiche sono gli elementi costitutivi di base necessari per i calcoli. Controllano come vengono elaborate le informazioni in entrata, che assumono la forma di 0 o 1 (noto come bit). Le porte logiche richiedono due segnali di ingresso e producono un'uscita logica.

Nell'esperimento dei ricercatori, i segnali di ingresso sono la forma o la fase di due impulsi laser sincronizzati, ciascuno scelto per generare solo un'esplosione di portatori di carica reali o virtuali. A seconda delle fasi laser utilizzate, questi due contributi alle correnti possono sommarsi o annullarsi. Al segnale elettrico di rete può essere assegnata l'informazione logica 0 o 1, ottenendo una porta logica ultraveloce.

"Ci vorrà probabilmente molto tempo prima che questa tecnica possa essere utilizzata in un chip di computer, ma almeno ora sappiamo che l'elettronica a onde luminose è praticamente possibile", afferma Tobias Boolakee, che ha guidato gli sforzi sperimentali come Ph.D. studente alla FAU.

"I nostri risultati aprono la strada all'elettronica ultraveloce e all'elaborazione delle informazioni", afferma Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), ora ricercatore post-dottorato presso la McGill University.

"La cosa sorprendente di questa porta logica", dice Franco, "è che le operazioni non vengono eseguite in gigahertz, come nei normali computer, ma in petahertz, che sono un milione di volte più veloci. Ciò è dovuto agli impulsi laser molto brevi utilizzati che si verificano in un milionesimo di miliardesimo di secondo."

Dai fondamentali alle applicazioni

Questa nuova tecnologia potenzialmente trasformativa è nata da studi fondamentali su come la carica può essere guidata nei sistemi su scala nanometrica con i laser.

"Attraverso la teoria fondamentale e la sua connessione con gli esperimenti, abbiamo chiarito il ruolo dei portatori di carica virtuali e reali nelle correnti indotte dal laser, e questo ha aperto la strada alla creazione di porte logiche ultraveloci", afferma Franco.

Lo studio rappresenta più di 15 anni di ricerca di Franco. Nel 2007, come dottorato di ricerca. studente all'Università di Toronto, ha ideato un metodo per generare correnti elettriche ultraveloci in fili molecolari esposti a impulsi laser a femtosecondi. Questa proposta iniziale è stata successivamente implementata sperimentalmente nel 2013 e il meccanismo dettagliato alla base degli esperimenti spiegato dal gruppo Franco in uno studio del 2018. Da allora c'è stata quella che Franco chiama una crescita sperimentale e teorica "esplosiva" in questo settore.

"Questa è un'area in cui teoria ed esperimenti si sfidano e, così facendo, svelano nuove scoperte fondamentali e tecnologie promettenti", afferma. + Esplora ulteriormente

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