La fisica quantistica stabilisce un limite di velocità per l’elettronica

Un impulso laser ultra corto (blu) crea portatori di carica liberi, un altro impulso (rosso) li accelera in direzioni opposte. Credito: TU Vienna

Quanto può essere veloce l’elettronica? Quando i chip dei computer funzionano con segnali e intervalli di tempo sempre più brevi, a un certo punto si scontrano con dei limiti fisici. I processi quantomeccanici che consentono la generazione di corrente elettrica in un materiale semiconduttore richiedono un certo lasso di tempo. Ciò pone un limite alla velocità di generazione e trasmissione del segnale.

TU Wien (Vienna), TU Graz e il Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno ora potuto esplorare questi limiti: la velocità non può sicuramente essere aumentata oltre un petahertz (un milione di gigahertz), anche se il materiale è eccitato in modo ottimale con impulsi laser. Questo risultato è stato ora pubblicato sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura.

Campi e correnti

La corrente elettrica e la luce (cioè i campi elettromagnetici) sono sempre interconnesse. Questo è anche il caso della microelettronica: nei microchip, l’elettricità è controllata con l’aiuto dei campi elettromagnetici. Ad esempio, un campo elettrico può essere applicato a un transistor e, a seconda che il campo sia attivato o disattivato, il transistor consente il flusso di corrente elettrica o lo blocca. In questo modo un campo elettromagnetico viene convertito in un segnale elettrico.

Per testare i limiti di questa conversione dei campi elettromagnetici in corrente, vengono utilizzati impulsi laser, i campi elettromagnetici più veloci e precisi disponibili, anziché transistor.

“Si studiano materiali che inizialmente non conducono affatto elettricità”, spiega il prof. Joachim Burgdörfer dell’Istituto di Fisica Teorica della TU Wien. “Questi sono colpiti da un impulso laser ultracorto con una lunghezza d’onda nell’intervallo UV estremo. Questo impulso laser sposta gli elettroni a un livello di energia più elevato, in modo che possano improvvisamente muoversi liberamente. In questo modo, l’impulso laser trasforma il materiale in un conduttore elettrico per un breve periodo di tempo.” Non appena nel materiale sono presenti portatori di carica che si muovono liberamente, possono essere spostati in una determinata direzione di un secondo impulso laser leggermente più lungo. Questo crea una corrente elettrica che può quindi essere rilevata con elettrodi su entrambi i lati del materiale.

Questi processi avvengono estremamente velocemente, su una scala temporale di atmosfera o femtosecondi. “Per molto tempo, tali processi sono stati considerati istantanei”, afferma il Prof. Christoph Lemell (TU Vienna). “Oggi, tuttavia, disponiamo della tecnologia necessaria per studiare in dettaglio l’evoluzione temporale di questi processi ultraveloci”. La domanda cruciale è: quanto velocemente reagisce il materiale al laser? Quanto tempo impiega la generazione del segnale e quanto tempo bisogna aspettare prima che il materiale possa essere esposto al segnale successivo? Gli esperimenti sono stati condotti a Garching e Graz, il lavoro teorico e complesse simulazioni al computer sono stati effettuati presso la TU Wien.

Tempo o energia, ma non entrambi

L’esperimento porta a un classico dilemma dell’incertezza, come spesso accade nella fisica quantistica: per aumentare la velocità, sono necessari impulsi laser UV estremamente brevi, in modo che i portatori di carica liberi vengano creati molto rapidamente. Tuttavia, l’uso di impulsi estremamente brevi implica che la quantità di energia che viene trasferita agli elettroni non è definita con precisione. Gli elettroni possono assorbire energie molto diverse. “Possiamo dire esattamente in quale momento vengono creati i vettori di carica gratuita, ma non in quale stato energetico si trovano”, afferma Christoph Lemell. “I solidi hanno diverse bande di energia e, con brevi impulsi laser, molti di essi sono inevitabilmente popolati da vettori di carica gratuiti allo stesso tempo”.

A seconda della quantità di energia che trasportano, gli elettroni reagiscono in modo molto diverso al campo elettrico. Se la loro energia esatta è sconosciuta, non è più possibile controllarli con precisione e il segnale di corrente che viene prodotto è distorto, specialmente a intensità laser elevate.

“Si scopre che circa un petahertz è un limite superiore per i processi optoelettronici controllati”, afferma Joachim Burgdörfer. Naturalmente, questo non significa che sia possibile produrre chip per computer con una frequenza di clock appena inferiore a un petahertz. I limiti massimi tecnici realistici sono molto probabilmente notevolmente inferiori. Anche se le leggi della natura che determinano i limiti di velocità ultimi dell’optoelettronica non possono essere superate in astuzia, ora possono essere analizzate e comprese con nuovi metodi sofisticati.


Come fotografare un impulso luminoso


Maggiori informazioni:
M. Ossiander et al, Il limite di velocità dell’optoelettronica, Comunicazioni sulla natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29252-1

Fornito dall’Università della Tecnologia di Vienna

Citazione: La fisica quantistica stabilisce un limite di velocità per l’elettronica (2022, 25 marzo) recuperato il 25 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-quantum-physics-limit-electronics.html

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