Gli scienziati calcolano il limite di velocità quantico assoluto per l’elettronica

Spesso sembra che l’elettronica continuerà a diventare più veloce per sempre, ma a un certo punto le leggi della fisica interverranno per porre fine a tutto ciò. Ora gli scienziati hanno calcolato il limite massimo di velocità, il punto in cui la meccanica quantistica impedisce ai microchip di diventare più veloci.

È risaputo che niente si muove più velocemente della luce, e questo vale per l’elettronica: i sistemi che utilizzano la luce per controllare l’elettricità, noti come optoelettronica, sono i dispositivi più veloci. E nel nuovo studio, i ricercatori di TU Wien, TU Graz e del Max Planck Institute of Quatum Optics hanno identificato il limite superiore per quanto velocemente potrebbe arrivare l’optoelettronica.

Il team ha condotto esperimenti utilizzando materiali semiconduttori e laser. Il semiconduttore viene colpito da un impulso laser ultracorto, che sposta gli elettroni nel materiale in uno stato energetico più elevato, consentendo loro di muoversi liberamente. Quindi, un secondo impulso laser leggermente più lungo li fa esplodere in una certa direzione, producendo una corrente elettrica.

Un diagramma che illustra come impulsi laser ultracorti (blu) danno elettroni in un’energia semiconduttore, quindi un secondo impulso laser (rosso) li fa volare via in determinate direzioni per produrre una corrente elettrica

TU Vienna

Utilizzando questa tecnica, oltre a complesse simulazioni al computer, il team ha colpito i semiconduttori con impulsi laser sempre più brevi. Ma a un certo punto, il processo inizia a scontrarsi con il principio di indeterminazione di Heisenberg: questa è la strana stranezza quantistica per cui più accuratamente si misura una caratteristica di una particella, meno si può essere sicuri di un’altra.

In questo caso, l’uso di impulsi laser più brevi significa che gli osservatori possono dire esattamente quando gli elettroni guadagnano energia, ma ciò a costo di essere meno certi della Quantità di energia che guadagnano. E questo è un grosso problema per i dispositivi elettronici, perché non conoscere l’esatta energia degli elettroni significa che non possono essere controllati con la stessa precisione.

Da questo, il team ha calcolato il limite superiore assoluto per la velocità con cui i sistemi optoelettronici potrebbero mai raggiungere: un Petahertz, che è un milione di Gigahertz. Questo è un limite difficile, che non può essere aggirato perché la barriera è incorporata nelle stesse leggi della fisica quantistica.

Ovviamente, è improbabile che dovremo mai preoccuparcene direttamente comunque. Il team afferma che altri ostacoli tecnologici sorgerebbero molto prima che i dispositivi optoelettronici raggiungano il regno dei PH. Ma la comprensione del limite rigido potrebbe aiutare a sviluppare un’elettronica migliore.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Fonte: TU Vienna

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