I sistemi elettronici che utilizzano onde luminose anziché segnali di tensione sono vantaggiosi, poiché le onde luminose elettromagnetiche oscillano alla frequenza dei petaherz. Ciò significa che i computer del futuro potrebbero funzionare a velocità 1 milione di volte superiori a quelle odierne. Gli scienziati della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sono ora riusciti a utilizzare impulsi laser ultracorti per controllare con precisione gli elettroni nel grafene.

Il controllo attuale nell'elettronica che è 1 milione di volte più veloce rispetto ai sistemi odierni è un sogno per molti. Il controllo della corrente è responsabile della trasmissione di dati e segnali. Però, fino ad ora, è stato difficile controllare il flusso di elettroni nei metalli, come i metalli riflettono le onde luminose, che quindi non possono influenzare gli elettroni all'interno del conduttore metallico.

I fisici della FAU si sono quindi rivolti al grafene, un semimetallo che comprende un solo strato di carbonio ed è così sottile che la luce può penetrare e mettere in movimento gli elettroni. In uno studio precedente, i fisici della cattedra di fisica dei laser erano già riusciti a generare un segnale elettrico su una scala temporale di un solo femtosecondo utilizzando un impulso laser molto breve. Ciò equivale a un milionesimo di un miliardesimo di secondo. In questi tempi estremi, gli elettroni rivelano la loro natura quantistica poiché si comportano come un'onda. L'onda di elettroni scorre attraverso il materiale mentre è guidata dall'impulso laser.

I ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti nello studio attuale. Hanno puntato un secondo impulso laser su quest'onda guidata dalla luce. Questo secondo impulso ha permesso all'onda di elettroni di passare attraverso il materiale in due dimensioni. Il secondo impulso laser può essere utilizzato per deviare, accelerare o addirittura cambiare la direzione dell'onda dell'elettrone. Ciò consente la trasmissione di informazioni da questa onda, a seconda dell'ora esatta, forza e direzione del secondo impulso.

Secondo i ricercatori, è possibile fare un passo in più. "Immagina che l'onda dell'elettrone sia un'onda nell'acqua. Le onde nell'acqua possono dividersi a causa di un ostacolo e convergere e interferire quando hanno superato l'ostacolo. A seconda di come le sub-onde stanno in relazione l'una con l'altra, si amplificano o si annullano a vicenda. Possiamo utilizzare il secondo impulso laser per modificare le singole sub-onde in modo mirato e controllare così la loro interferenza, " spiega Christian Heide della cattedra di fisica laser. "In generale, è molto difficile controllare i fenomeni quantistici, come le caratteristiche d'onda degli elettroni in questo caso. Questo perché è molto difficile mantenere l'onda dell'elettrone in un materiale poiché l'onda dell'elettrone si disperde con altri elettroni e perde le sue caratteristiche d'onda. Gli esperimenti in questo campo sono tipicamente eseguiti a temperature estremamente basse. Ora possiamo condurre questi esperimenti a temperatura ambiente, poiché possiamo controllare gli elettroni usando impulsi laser a velocità così elevate che non rimane tempo per i processi di dispersione con altri elettroni. Questo ci consente di ricercare diversi nuovi processi fisici che in precedenza non erano accessibili".

Gli scienziati hanno compiuto progressi significativi verso la realizzazione di sistemi elettronici che possono essere controllati tramite onde luminose. Nei prossimi anni, studieranno se anche gli elettroni in altri materiali bidimensionali possono essere controllati allo stesso modo. "Forse saremo in grado di utilizzare la ricerca sui materiali per modificare le caratteristiche dei materiali in modo tale che presto sarà possibile costruire piccoli transistor che possono essere controllati dalla luce, "dice Heide.