(Phys.org) — È stato inventato un interruttore ottico ultraveloce e ultra piccolo che potrebbe anticipare il giorno in cui i fotoni sostituiranno gli elettroni nelle viscere dei prodotti di consumo che vanno dai telefoni cellulari alle automobili.

Il nuovo dispositivo ottico può accendersi e spegnersi trilioni di volte al secondo. Consiste di interruttori individuali che hanno solo un cinquecentesimo della larghezza di un capello umano (200 nanometri) di diametro. Questa dimensione è molto più piccola dell'attuale generazione di interruttori ottici e abbatte facilmente una delle principali barriere tecniche alla diffusione dei dispositivi elettronici che rilevano e controllano la luce:miniaturizzare le dimensioni degli interruttori ottici ultraveloci.

Il nuovo dispositivo è stato sviluppato da un team di scienziati della Vanderbilt University, Università dell'Alabama-Birmingham, e Los Alamos National Laboratory ed è descritto nel numero del 12 marzo della rivista Nano lettere .

L'interruttore ultraveloce è realizzato con un materiale artificiale progettato per avere proprietà che non si trovano in natura. In questo caso, il "metamateriale" è costituito da particelle nanometriche di biossido di vanadio (VO ₂ ) – un solido cristallino che può passare rapidamente avanti e indietro tra un opaco, fase metallica e una trasparente, fase semiconduttiva - che vengono depositati su un substrato di vetro e rivestiti con un "nanomesh" di minuscole nanoparticelle d'oro.

Gli scienziati riferiscono che bagnare queste nanoparticelle dorate con brevi impulsi da un laser ultraveloce genera elettroni caldi nella nanorete d'oro che saltano nel diossido di vanadio e lo fanno subire il suo cambiamento di fase in pochi trilionesimi di secondo.

"In precedenza avevamo attivato questa transizione nelle nanoparticelle di biossido di vanadio direttamente con i laser e volevamo vedere se potevamo farlo anche con gli elettroni, " ha detto Richard Haglund, Stevenson Professore di Fisica alla Vanderbilt, che ha condotto lo studio. "Non solo funziona, ma l'iniezione di elettroni caldi dalle nanoparticelle d'oro innesca anche la trasformazione con un quinto a un decimo dell'apporto di energia richiesto facendo brillare il laser direttamente sul VO nudo ₂ ."

Sia l'industria che il governo stanno investendo molto negli sforzi per integrare l'ottica e l'elettronica, perché è generalmente considerato il passo successivo nell'evoluzione delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione. Intel, Hewlett-Packard e IBM hanno costruito chip con funzionalità ottiche crescenti negli ultimi cinque anni che operano a velocità gigahertz, un millesimo quello del VO ₂ interruttore.

"Gli interruttori al biossido di vanadio hanno una serie di caratteristiche che li rendono ideali per applicazioni optoelettroniche, " disse Haglund. Oltre alla loro velocità veloce e alle piccole dimensioni, essi:

• Sono completamente compatibili con l'attuale tecnologia dei circuiti integrati, sia i chip a base di silicio che i nuovi materiali "dielettrici ad alto contenuto di K" che l'industria dei semiconduttori sta sviluppando per continuare il processo di miniaturizzazione che è stato un aspetto importante dello sviluppo della tecnologia microelettronica;
• Operare nella regione del visibile e del vicino infrarosso dello spettro ottimale per le applicazioni di telecomunicazione;
• Genera una quantità di calore per operazione che è sufficientemente bassa da consentire agli interruttori di essere imballati abbastanza strettamente per realizzare dispositivi pratici:circa dieci trilionesimi di caloria (100 femtojoule) per bit.

"Le straordinarie proprietà del biossido di vanadio sono note da più di mezzo secolo. Alla Vanderbilt, abbiamo studiato VO ₂ nanoparticelle negli ultimi dieci anni, ma il materiale ha saputo resistere con notevole successo alle spiegazioni teoriche, " ha detto Haglund. "Solo negli ultimi anni studi computazionali intensivi hanno illuminato la fisica che sta alla base della sua transizione da semiconduttore a metallo".

Gli studenti laureati della Vanderbilt Kannatassen Appavoo e Joyeeta Nag hanno fabbricato il metamateriale alla Vanderbilt; Appavoo ha unito le forze con l'Università dell'Alabama, Lo studente laureato di Birmingham Nathaniel Brady e il professor David Hilton per eseguire gli esperimenti laser ultraveloci con la guida dello scienziato del Los Alamos National Laboratory Rohit Prasankumar e dello studioso post-dottorato Minah Seo. Gli studi teorici e computazionali che hanno contribuito a svelare il complesso meccanismo della transizione di fase su scala nanometrica sono stati condotti dallo studente postdottorato Bin Wang e da Sokrates Pantelides, Illustre professore universitario di fisica e ingegneria alla Vanderbilt.