Uno studio del Politecnico di Milano pubblicato su Nature Photonics mostra come impulsi laser possano eseguire operazioni logiche a frequenze oltre i 10 terahertz

Se i computer di oggi elaborano informazioni spostando cariche elettriche nei transistor, quelli di domani potrebbero farlo utilizzando direttamente la luce. Impulsi laser estremamente brevi potrebbero infatti eseguire operazioni logiche nei materiali su scale temporali molto più rapide rispetto all’elettronica tradizionale.

È quanto dimostra uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Nature Photonics e guidato dal Politecnico di Milano, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr e con diversi centri di ricerca internazionali.

Il progetto è coordinato dal fisico Giulio Cerullo. Del team fanno parte anche i docenti Stefano Dal Conte e Margherita Maiuri, insieme ai ricercatori Francesco Gucci, primo autore dell’articolo, e Mattia Russo. Per il Cnr ha partecipato allo studio Franco Camargo.

Superare i limiti dei computer elettronici

I computer attuali funzionano grazie al movimento degli elettroni nei transistor, il meccanismo che ha reso possibile per decenni l’aumento delle prestazioni dei processori.

Oggi però questa tecnologia si avvicina a limiti fisici sempre più difficili da superare. Per questo motivo la ricerca scientifica sta esplorando nuove soluzioni, tra cui la possibilità di utilizzare direttamente la luce per elaborare informazioni.

Il nuovo studio propone proprio questo approccio: invece di far scorrere cariche elettriche nei circuiti, i ricercatori controllano lo stato quantistico degli elettroni nei materiali attraverso impulsi laser ultrarapidi.

Come spiega Giulio Cerullo:

“Abbiamo dimostrato che la luce può essere usata non solo per trasmettere informazione, ma anche per elaborarla. Grazie a impulsi laser ultrabrevi possiamo controllare gli stati quantistici della materia su scale temporali finora inaccessibili all’elettronica”.

Le operazioni avvengono a frequenze superiori ai 10 terahertz, oltre cento volte più veloci rispetto ai dispositivi elettronici più avanzati.

Il materiale chiave: il disolfuro di tungsteno

Per realizzare gli esperimenti il team ha utilizzato un semiconduttore bidimensionale chiamato Disolfuro di tungsteno (WS₂).

Questo materiale è spesso appena tre strati atomici e possiede proprietà quantistiche che emergono su scala nanometrica.

All’interno di 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.

Attraverso sequenze di impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, il team è riuscito a:

• accendere

• spegnere

• amplificare selettivamente le informazioni.

In questo modo sono state realizzate operazioni logiche simili a quelle dei circuiti elettronici, ma a velocità molto più elevate.

Verso una nuova generazione di computer ultrarapidi

Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente e utilizzando impulsi laser già disponibili nei laboratori, un elemento importante per possibili applicazioni future.

I ricercatori hanno inoltre misurato per quanto tempo l’informazione quantistica rimane stabile nel materiale, un parametro fondamentale per lo sviluppo di dispositivi tecnologici reali.

Secondo Franco Camargo del Cnr:

“Questa dimostrazione di principio apre nuove sfide scientifiche e tecnologiche per la realizzazione di dispositivi basati su questo principio”.

Tra le prossime sfide ci sono:

• la creazione di sequenze di impulsi sempre più complesse

• l’aumento del numero di bit gestibili nei dispositivi reali.

Se queste sfide verranno superate, la tecnologia potrebbe portare alla nascita di una nuova classe di dispositivi logici ultrarapidi, capaci di trasformare la luce in uno strumento di calcolo per i computer del futuro.