Se i computer di oggi elaborano informazioni spostando cariche elettriche nei transistor, quelli di domani potrebbero farlo sfruttando direttamente le oscillazioni della luce. Impulsi laser estremamente brevi possono infatti eseguire operazioni logiche nei materiali su scale temporali finora irraggiungibili per l’elettronica.
È quanto dimostra uno studio pubblicato sulla rivista scientifica “Nature Photonics” e guidato dal Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr (Cnr-Ifn) e con diversi centri di ricerca internazionali.
Il progetto è coordinato dal fisico Giulio Cerullo. Del gruppo del Politecnico fanno parte i docenti Stefano Dal Conte e Margherita Maiuri, insieme ai ricercatori Francesco Gucci, primo autore dell’articolo, e Mattia Russo. Per il Cnr-Ifn ha partecipato allo studio Franco Camargo.
Oltre i limiti dell’elettronica
I computer attuali basano il loro funzionamento sul movimento di elettroni all’interno dei transistor. Questo meccanismo ha consentito per decenni di aumentare la velocità dei processori, ma oggi incontra limiti fisici sempre più difficili da superare.
La nuova ricerca propone un approccio diverso. Invece di far scorrere cariche elettriche nei circuiti, i ricercatori controllano direttamente lo stato quantistico degli elettroni nei materiali utilizzando impulsi di luce.
“Abbiamo dimostrato che la luce può essere usata non solo per trasmettere informazione, ma anche per elaborarla”, spiega Giulio Cerullo. “Grazie a impulsi laser ultrabrevi possiamo controllare gli stati quantistici della materia su scale temporali di pochi milionesimi di miliardesimi di secondo, cioè alle stesse frequenze di oscillazione della luce, finora inaccessibili all’elettronica”.
Le operazioni avvengono a frequenze superiori ai 10 terahertz, oltre cento volte più elevate rispetto ai migliori dispositivi elettronici moderni.
Il ruolo di un materiale atomico
Per realizzare questi esperimenti i ricercatori hanno utilizzato un semiconduttore bidimensionale chiamato disolfuro di tungsteno (WS₂). Il materiale è spesso appena tre strati atomici e presenta proprietà quantistiche che emergono proprio su scala nanometrica.
In queste strutture gli elettroni possono occupare due stati distinti, chiamati “valli”. I ricercatori utilizzano queste valli come unità di informazione, analoghe agli zero e uno dei computer tradizionali, ma manipolabili con impulsi di luce estremamente rapidi.
Attraverso sequenze di impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, il team è riuscito ad accendere, spegnere e amplificare selettivamente le informazioni, realizzando operazioni logiche paragonabili a quelle dei circuiti elettronici.
Verso computer ultrarapidi
Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente e utilizzando impulsi di luce già disponibili nei laboratori. Inoltre i ricercatori hanno potuto misurare per quanto tempo l’informazione quantistica rimane stabile nel materiale, un elemento fondamentale per eventuali applicazioni tecnologiche.
“In prospettiva, questa dimostrazione di principio apre nuove sfide scientifiche e tecnologiche per la realizzazione di dispositivi competitivi basati su questo principio”, osserva Franco Camargo del Cnr-Ifn. “Tra queste rientrano la creazione di sequenze di impulsi sempre più complesse e la possibilità di aumentare il numero di bit nei dispositivi reali”.
Secondo i ricercatori, il superamento di queste sfide potrebbe portare allo sviluppo di una nuova classe di dispositivi logici ultrarapidi, capaci di trasformare questa dimostrazione sperimentale in una tecnologia concreta per i computer del futuro.
