Gli scienziati hanno scoperto nuove particelle che potrebbero essere al centro di una futura rivoluzione tecnologica basata su circuiti fotonici, portando a superveloce, calcolo basato sulla luce.

L'attuale tecnologia informatica si basa sull'elettronica, dove gli elettroni sono usati per codificare e trasportare informazioni.

A causa di alcune limitazioni fondamentali, come la perdita di energia attraverso il riscaldamento resistivo, si prevede che alla fine gli elettroni dovranno essere sostituiti da fotoni, portando a computer futuristici basati sulla luce che sono molto più veloci ed efficienti di quelli elettronici attuali.

I fisici dell'Università di Exeter hanno compiuto un passo importante verso questo obiettivo, poiché hanno scoperto nuove particelle di semimateria penombra che ereditano alcune delle straordinarie caratteristiche del grafene.

Questa scoperta apre le porte allo sviluppo di circuiti fotonici che utilizzano queste particelle alternative, noti come polaritoni di Dirac senza massa, per trasportare informazioni piuttosto che elettroni.

I polaritoni di Dirac emergono nelle metasuperfici a nido d'ape, che sono materiali ultrasottili progettati per avere una struttura su scala nanometrica, molto più piccola della lunghezza d'onda della luce.

Una caratteristica unica delle particelle di Dirac è che imitano le particelle relativistiche senza massa, permettendo loro di viaggiare in modo molto efficiente. Questo fatto rende il grafene uno dei materiali più conduttivi conosciuti dall'uomo.

Però, nonostante le loro straordinarie proprietà, è molto difficile controllarli. Per esempio, nel grafene è impossibile accendere/spegnere correnti elettriche usando un semplice potenziale elettrico, ostacolando così la potenziale implementazione del grafene nei dispositivi elettronici.

Questo inconveniente fondamentale, la mancanza di sintonizzabilità, è stato superato con successo in un modo unico dai fisici dell'Università di Exeter.

Charlie Ray Mann, l'autore principale del documento pubblicato in Comunicazioni sulla natura , spiega:"Per il grafene, di solito si deve modificare il reticolo a nido d'ape per cambiarne le proprietà, ad esempio sforzando il reticolo a nido d'ape che è estremamente difficile da fare in modo controllabile."

"La differenza fondamentale qui è che i polaritoni di Dirac sono particelle ibride, una miscela di componenti di luce e materia. È questa natura ibrida che ci presenta un modo unico per sintonizzare le loro proprietà fondamentali, manipolando solo la loro componente luminosa, qualcosa che è impossibile fare con il grafene."

I ricercatori mostrano che incorporando la metasuperficie a nido d'ape tra due specchi riflettenti e modificando la distanza tra loro, si possono sintonizzare le proprietà fondamentali dei polaritoni di Dirac in modo semplice, modo controllabile e reversibile.

"Il nostro lavoro ha implicazioni cruciali per i campi di ricerca della fotonica e delle particelle di Dirac, " aggiunge il dottor Eros Mariani, ricercatore principale dello studio.

"Abbiamo dimostrato la capacità di rallentare o addirittura fermare le particelle di Dirac, e modificare la loro struttura interna, la loro chiralità, in termini tecnici, cosa impossibile da fare nel grafene stesso"

"I risultati del nostro lavoro costituiranno un passo fondamentale lungo la rivoluzione dei circuiti fotonici".

Lo studio "Manipulating type-I and type-II Dirac polaritons in hollow-embedded honeycomb metasurfaces" (DOI:10.1038/s41467-018-03982-7) è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .