Le architetture microelettroniche tradizionali, con transistor per controllare le correnti elettriche lungo i cavi, alimentano qualsiasi cosa, dai computer avanzati ai dispositivi di uso quotidiano.
Ma poiché i circuiti integrati offrono rendimenti decrescenti in termini di velocità e adattabilità, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory stanno sviluppando sistemi basati sulla luce su scala nanometrica che potrebbero fornire scoperte rivoluzionarie per la microelettronica ultraveloce, il rilevamento a infrarossi a temperatura ambiente (ad esempio, la visione notturna) e un'ampia varietà di applicazioni tecnologiche.
"La maggior parte delle tecnologie moderne, dai computer alle applicazioni come la raccolta di energia, si basano sulla capacità di spingere gli elettroni in giro", ha affermato Jacob Pettine, fisico di Los Alamos presso il Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Ma il modo in cui controlliamo questo flusso di carica rimane molto limitato dai materiali e dalle strutture convenzionali."
Come descritto in un articolo appena pubblicato su Nature , il gruppo di ricerca ha progettato e fabbricato strutture d'oro asimmetriche di dimensioni nanometriche su uno strato atomicamente sottile di grafene. Le strutture d'oro sono soprannominate "nanoantenne" in base al modo in cui catturano e focalizzano le onde luminose, formando "punti caldi" ottici che eccitano gli elettroni all'interno del grafene. Solo gli elettroni del grafene molto vicini ai punti caldi vengono eccitati, mentre il resto del grafene rimane molto meno eccitato.
Il gruppo di ricerca ha adottato una forma a goccia di nanoantenne dorate, dove la rottura della simmetria di inversione definisce una direzionalità lungo la struttura. I punti caldi si trovano solo sulle punte acuminate delle nanoantenne, conducendo a un percorso su cui gli elettroni caldi eccitati fluiscono con direzionalità netta:una corrente di carica, controllabile e sintonizzabile su scala nanometrica eccitando diverse combinazioni di punti caldi.
"Queste metasuperfici forniscono un modo semplice per controllare l'ampiezza, la posizione e la direzione dei punti caldi e della corrente di carica su scala nanometrica con una velocità di risposta più veloce di un picosecondo", ha affermato Hou-Tong Chen, uno scienziato della CINT che supervisiona la ricerca. "Poi potrai pensare a funzionalità più dettagliate."
La dimostrazione concettuale in queste metasuperfici optoelettroniche ha una serie di applicazioni promettenti. La corrente di carica generata può essere naturalmente utilizzata come segnale per il fotorilevamento, particolarmente importante nella regione dell'infrarosso a lunga lunghezza d'onda. Il sistema può fungere da fonte di radiazione terahertz, utile in una gamma di applicazioni, dalle comunicazioni wireless ad altissima velocità alla caratterizzazione spettroscopica dei materiali. Il sistema potrebbe anche offrire nuove opportunità per il controllo del nanomagnetismo, in cui le correnti specializzate potrebbero essere progettate per campi magnetici adattabili su scala nanometrica.
La nuova capacità potrebbe rivelarsi importante anche per l’elaborazione ultraveloce delle informazioni, compresi il calcolo e la microelettronica. La capacità di utilizzare gli impulsi laser e le metasuperfici per circuiti adattativi potrebbe consentire la realizzazione di architetture informatiche ed elettroniche basate su transistor più lente e meno versatili. A differenza dei circuiti convenzionali, i campi luminosi strutturati adattivi potrebbero offrire possibilità di progettazione completamente nuove.
"Questi risultati gettano le basi per un modello versatile e un controllo ottico sulle correnti su scala nanometrica", ha affermato Pettine. "Oltre alle preziose applicazioni in laboratorio, le metasuperfici vettoriali possono consentire progressi in molti ambiti tecnologici diversi."
Ulteriori informazioni: Jacob Pettine et al, Correnti vettoriali su scala nanometrica guidate dalla luce, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07037-4
Fornito dal Los Alamos National Laboratory
