Impulsi laser ultraveloci fanno luce sul futuro dell’informatica
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
