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Il raffreddamento a laser delle membrane dei semiconduttori spiana la strada al calcolo quantistico

Mettendo insieme in modo innovativo due campi di ricerca, la fisica quantistica e la nanofisica, alcuni ricercatori danesi finanziati dall'UE hanno scoperto un nuovo metodo per raffreddare a laser le membrane dei semiconduttori. I semiconduttori sono componenti fondamentali di...
Il raffreddamento a laser delle membrane dei semiconduttori spiana la strada al calcolo quantistico
Mettendo insieme in modo innovativo due campi di ricerca, la fisica quantistica e la nanofisica, alcuni ricercatori danesi finanziati dall'UE hanno scoperto un nuovo metodo per raffreddare a laser le membrane dei semiconduttori. I semiconduttori sono componenti fondamentali di molti dispositivi elettronici come le celle solari e i LED (diodi a emissione di luce) ed è importante essere in grado di raffreddare questi componenti per lo sviluppo futuro dei computer quantistici e di sensori ultrasensibili.

Nonostante venga chiamato metodo di raffreddamento però la tecnica usata dai fisici funziona facendo l'esatto contrario e cioè riscaldando il materiale. In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics, il team, dell'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenhagen in Danimarca, spiega come ha sviluppato l'uso di laser in grado di raffreddare le fluttuazioni della membrana fino a meno 269 gradi centigradi.

Lo studio ha ricevuto un finanziamento di 4.700.000 euro nell'ambito del progetto Q-ESSENCE ("Quantum interfaces, sensors and communication based on entanglement"), finanziato all'interno del tema TIC ("Tecnologie dell'informazione e della comunicazione") del Settimo programma quadro (7° PQ) dell'UE.

L'autore principale dello studio, Koji Usami, spiega: "Negli esperimenti, siamo riusciti a ottenere un metodo nuovo ed efficace di raffreddamento di un materiale solido usando il laser. Abbiamo prodotto una membrana di semiconduttore con uno spessore di 160 nanometri e una superficie, mai ottenuta prima, di 1 millimetro per 1 millimetro. Negli esperimenti, lasciamo che la membrana interagisca con la luce laser in modo che i suoi movimenti meccanici influenzino la luce che la colpisce. Abbiamo esaminato attentamente i fenomeni fisci e abbiamo scoperto che un certo modo di oscillazione della membrana la raffreddava da una temperatura ambiente fino a meno 269 gradi centigradi, come risultato della complessa e affascinante interazione tra il movimento della membrana, le proprietà del semiconduttore e le risonanze ottiche."

Il team danese lavora da tanto tempo per perfezionare questa tecnica di raffreddamento a laser degli atomi ed è riuscito in precedenza a raffreddare nuvole di gas di atomi di cesio fino a quasi zero assoluto, meno 273 gradi centigradi, usando laser mirati. Sono riusciti a creare un intrappolamento tra due sistemi atomici. Questo avviene quando la rotazione atomica viene intrappolata e le due nuvole di gas formano un legame, dovuto alla meccanica quantistica. Usando tecniche ottiche quantistiche, hanno misurato le fluttuazioni quantistiche della rotazione atomica.
"È da tempo che vogliamo esaminare quanto si possono estendere questi limiti di meccanica quantistica: il principio vale anche per materiali macroscopici? Si aprirebbero possibilità completamente nuove per la cosiddetta ottomeccanica, e cioè l'interazione tra la radiazione ottica, la luce, e un moto meccanico," spiega un altro degli autori dello studio, il professor Eugene Polzik.

Prima di poter vedere se le loro teorie funzionassero in pratica gli scienziati hanno dovuto assicurarsi di avere i materiali adatti a disposizione.

È cominciato tutto nel 2009 quando un membro del team dello studio, Peter Lodahl, tenne una lezione all'Istituto Niels Bohr: mostrò una speciale membrana di cristalli fotonici fatta del materiale semiconduttore arseniuro di gallio (GaAs). Dopo aver seguito la lezione, il professor Polzik pensò immediatamente che questa nanomembrana avesse molte proprietà elettroniche e ottiche vantaggiose. Suggerì di usare questo tipo di membrana per gli esperimenti di ottomeccanica e, dopo un anno di sperimentazione con diverse dimensioni, il team riuscì a fabbricare quella adatta.

I ricercatori riuscirono a produrre una nanomembrana dello spessore di appena 160 nanometri e con una superficie di oltre 1 millimetro quadrato.

Nell'esperimento, puntarono la luce laser sulla nanomembrana in una camera a vuoto. Quando la luce laser colpiva la membrana del semiconduttore, una parte della luce veniva riflessa e la luce era riflessa di nuovo attraverso uno specchio parte dell'esperimento, in modo che la luce andasse avanti e indietro in quello spazio, formando un risonatore ottico. Una parte della luce era assorbita dalla membrana e rilasciava elettroni liberi. Gli elettroni si disintegravano e quindi riscaldavano la membrana, producendo un'espansione termica. In questo modo, la distanza tra la membrana e lo specchio cambiava costantemente in forma di fluttuazione.

Koji Usami spiega inoltre: "Cambiando la distanza tra la membrana e lo specchio si arriva a una complessa e affascinante interazione tra il movimento della membrana, le proprietà del semiconduttore e le risonanze ottiche e si può controllare il sistema in modo da raffreddare la temperatura delle fluttuazioni della membrana. Si tratta di un nuovo meccanismo ottomeccanico, una parte centrale della nuova scoperta. Il paradosso è che anche se la membrana nel complesso si riscalda un po', essa viene raffreddata a una certa oscillazione e il raffreddamento può essere controllato con la luce laser. Si raffredda quindi riscaldandosi! Siamo riusciti a raffreddare le fluttuazioni della membrana fino a meno 269 gradi centigradi.

Queste scoperte potrebbero portare allo sviluppo di componenti raffreddanti per i computer quantistici. Un computer quantistico è un dispositivo per il calcolo che usa direttamente i fenomeni di meccanica quantistica come la superposizione e l'intrappolamento per effettuare operazioni su dati.

Gli obiettivi principali del progetto Q-ESSENCE sono sviluppare interfaccia quantistiche in grado di mappare con precisione le informazioni quantistiche tra diversi sistemi quantistici, generare l'intrappolamento quantistico a nuove scale e distanze come risorsa per effettuare compiti informatici quantistici e creare un intrappolamento multipartito in specifiche topologie di sistemi elementari.

Questo progetto sostiene anche ricercatori provenienti da Australia, Austria, Germania, Italia, Polonia, Slovacchia, Spagna, Svizzera, Paesi Bassi e Regno Unito. Il progetto, che continuerà fino al 2013, creerà opportunità nel campo delle tecnologie informatiche quantistiche che possono essere sviluppate in schemi realistici e completi per eseguire compiti di TIC.

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Numero record: 34238 / Ultimo aggiornamento: 2012-01-25
Categoria: reportSummary
Fonte d'informazione: ec