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L’elettronica da un petahertz è possibile ma complicata

Ago 29, 2016

Dai computer agli smartphone, dai videogiochi alle mappe, ogni volta che si parla di elettronica si parla anche di velocità di calcolo. Una velocità che significa quanto in fretta la macchina riesce a fare certi calcoli, o quanto in fretta riesce a spostare un’informazione. E che in ultima analisi riflette la velocità degli elettroni all’interno dei circuiti – o dei fotoni nel caso delle fibre ottiche e di alcune tecnologie recenti.

Tra i parametri che determinano la potenza di calcolo c’è anche la frequenza, che misuriamo in Hertz, dal nome dello scienziato che ci fornì le prove definitive riguardo l’esistenza delle onde elettromagnetiche. Un hertz significa un’oscillazione al secondo, l’unità di misura basilare per definire la velocità dell’elaborazione elettronica (e non solo). Quando si tratta di computer siamo abituati a parlare di megahertz e gigahertz, o anche di terahertz – quindi fino a migliaia di miliardi di oscillazioni al secondo.

E, sempre in generale, per ottenere più potenza si cerca di aumentare la frequenza. È difficile, perché in genere significa anche aumentare la temperatura di lavoro, e infatti da anni si punta anche sull’aumentare il numero di transistor e la complessità dei microchip – valga come esempio il fatto che oggi abbiamo processori con molti core, mentre una volta ne avevano solo no.

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La corsa a frequenze sempre maggiori comunque continua, e il prossimo obiettivo è arrivare al petahertz, un milione di miliardi di oscillazioni al secondo (o 10^15), ma al momento resta ancora da capire come controllare gli elettroni. A tal proposito, è interessante un esperimento realizzato di recente da Ursula Keller presso l’ETH di Zurigo.

Keller e i suoi colleghi hanno usato un laser infrarosso pulsato su un diamante spesso solo 50 nanometri, creando così un campo elettrico con una frequenza di circa 0,5 petahertz. Dopodiché è stato possibile misurare la reazione degli elettroni, tutto nel giro di un femtosecondo, cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo.

Non è facile fare misurazioni precise così in fretta, è infatti si è reso necessario abbinare questo laser dalla vita brevissima a un altro impulso con luce pulsate ultravioletta ancora più breve – siamo nel campo degli attosecondi, che sono mille volte più brevi dei femtosecondi. È stato così possibile verificare come gli elettroni hanno reagito al campo elettrico.

All’esperimento hanno partecipato anche scienziati dell’Università Tsukuba, in Giappone. Katsuhiro Yabana, in particolare, ha guidato una simulazione al supercomputer che ha dato una prima conferma dell’esperimento. Tale simulazione ha permesso di eliminare alcune variabili, così i ricercatori hanno potuto concludere che l’assorbimento nel diamante è dovuto all’effetto Franz-Keldysh. Ed è la prima volta che tale effetto viene osservato su campi elettrici con una rapidissima oscillazione come quella in questione.

L’esperimento mostra inoltre che il comportamento degli elettroni si verifica in una sorta di sovrapposizione tra la meccanica quantistica e la classica interazione tra materia e luce. “Questo significa”, si legge sul comunicato stampa, “che agiscono simultaneamente due tipi di interazioni fisiche: quelle in cui la luce agisce come quanti di energia (fotoni) e quelli in cui è rappresentata come un classico campo elettromagnetico”.

Il materiale ha reagito al campo ottico (il laser, NdR), e tale reazione “è dominata dal movimento degli elettroni in una singola banda energetica, piuttosto che dalla transizione tra bande diverse”. Ed è proprio questo il dettaglio determinante svelato da questo esperimento.

Questa scoperta può aiutare a indicare la strada per future ricerche, tese a ottenere componenti elettronici sempre più veloci e potenti. La realizzazione concreta di dispositivi che funzionino nell’ordine dei petahertz non è certo dietro l’angolo ma l’esperimento dimostra che è ancora possibile controllare il flusso degli elettroni anche a frequenze così alte, come sottolinea Lukas Gallmann, uno degli scienziati nel team di Ursula Keller.

Nota: l’articolo è stato modificato per specificare che la frequenza è uno dei parametri usati per determinare le capacità di una macchina, ma non l’unico.

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