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Direct Visualization of Light-Driven Atomic-Scale Carrier Dynamics in Space and Time

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Impulsi laser ultraveloci fanno luce sul futuro dell’informatica

Per costruire nuovi tipi di ottica ed elettronica, gli scienziati devono catturare gli eventi che accadono su scala atomica in un trilionesimo di secondo.

Economia digitale

La legge di Moore prevede che i computer debbano raddoppiare la velocità ogni 2 anni. In linea di massima, questa previsione si è dimostrata vera, ma alla fine i microchip di silicio diventeranno così piccoli e veloci che entreranno in gioco le interazioni atomiche, impedendo ulteriori progressi. Il progetto DIVI, finanziato dall’UE, promette di superare questo limite sviluppando una conoscenza approfondita sull’elettronica delle onde luminose, dove i principi ottici sono utilizzati per indirizzare e controllare gli elettroni in scala atomica.

Informatica di prossima generazione

«Il materiale non proverrà dai semiconduttori, ma da cristalli molecolari artificiali e metamateriali», spiega Peter Baum, il coordinatore del progetto DIVI. «Funzioneranno a frequenze ottiche, a 100 terahertz, che sono 1 000 volte più veloci dell’elettronica tradizionale». Il principio alla base dei computer a onde luminose è quello di guidare gli elettroni attraverso un materiale mediante l’impiego delle oscillazioni incredibilmente veloci della luce laser, offrendo un livello di velocità e controllo irraggiungibile nell’elettronica esistente. Al posto dei tradizionali componenti in silicio ci sono le strutture atomiche e i metamateriali, minuscole serie di antenne più piccole della lunghezza d’onda della luce, che possono modellare l’ampiezza e la fase della luce a seconda delle necessità. La sfida del progetto DIVI è stata quella di visualizzare e controllare le variazioni ultraveloci di questi metamateriali quando interagiscono con la luce. «Se ci si guarda intorno, tutta la materia che si vede nei gas, nei liquidi e nei solidi è fatta di atomi in configurazioni complicate, legati insieme da elettroni parimenti in configurazioni complesse, e tutto muta continuamente», spiega Baum. «Il nostro obiettivo finale è quello di rendere visibili le variazioni su scala atomica nello spazio e nel tempo, per poi controllarle».

Microscopia elettronica

Per ottenere la necessaria visualizzazione spazio-temporale, il team dell’Università di Costanza ha utilizzato un microscopio elettronico abbinato ad un laser che può pulsare ad intervalli inferiori a 1 milionesimo di miliardesimo di secondo, veloce come le oscillazioni del campo elettromagnetico di un’onda luminosa. Il risultato è quello che Baum chiama microscopio elettronico ad attosecondi. Il team ha realizzato una serie di sviluppi tecnologici all’avanguardia e poi diversi esperimenti di prova di principio i cui risultati sono stati pubblicati su varie riviste, ad esempio due volte su Science nel 2016 e successivamente su Nature Physics e Science Advances. «Abbiamo registrato un filmato multidimensionale delle onde luminose mentre oscillano intorno a un elemento metamateriale ed è stato davvero fantastico vederlo per la prima volta», osserva. «Ci ha reso estremamente entusiasti delle applicazioni pratiche a venire».

Tempo e spazio

La ricerca è stata sostenuta dal Consiglio europeo della ricerca. «Questo lavoro non sarebbe stato possibile senza di esso, è innegabile», aggiunge Baum. «Solo con il prestigioso finanziamento del CER siamo riusciti ad acquisire le attrezzature essenziali e riunire il personale necessario, il migliore al mondo, per realizzare le nostre idee». In seguito, il team si propone di utilizzare il nuovo microscopio elettronico ad attosecondi per esaminare materiali e metamateriali ancora più complessi. L’obiettivo è quello di iniziare a costruire una libreria di componenti in grado di replicare le funzioni dei circuiti tradizionali, permettendo lo sviluppo di computer a onde luminose e di nuovi componenti ottici. Un prerequisito è l’osservazione del moto elettronico e atomico nello spazio e nel tempo. Come spiega Baum: «Si può controllare solo ciò che si può misurare».

Parole chiave

DIVI, onda luminosa, computer, terahertz, attosecondo, elettrone, atomico, tempo, spazio, metamateriale, Baum

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