Addio transistor? Questo dispositivo usa la luce ed è 10.000 volte più veloce

Un gruppo internazionale di fisici coordinato dall'Università di Oldenburg, con a capo il Dott. Daniel Timmer e il Dott. Moritz Gittinger, ha dimostrato un nuovo meccanismo di commutazione ottica ultrarapida basato su nanostrutture ibride. Il risultato, pubblicato su Nature Nanotechnology, mostra come sia possibile realizzare dispositivo a specchio capace di commutare a velocità fino a 10.000 volte superiori rispetto a quelle dei transistor elettronici tradizionali, aprendo scenari concreti per l'elaborazione ottica dei dati.

Il dispositivo sperimentale è costituito da uno strato ultrasottile in argento, inciso con precisione nanometrica, sul quale è stato depositato un singolo strato atomico di disolfuro di tungsteno, un semiconduttore bidimensionale spesso appena tre atomi. Presi singolarmente, i due materiali non mostrano proprietà di commutazione; combinati, invece, danno origine a quello che i ricercatori definiscono un metamateriale attivo, capace di reagire in modo non convenzionale alla luce incidente.

Quando un impulso luminoso colpisce la superficie, l'energia viene temporaneamente immagazzinata in uno stato quantistico ibrido noto come "polaritone eccitone-plasmonico", che combina caratteristiche della luce e della materia. In questa fase, che dura circa 70 femtosecondi, la radiazione si propaga lungo la superficie sotto forma di onde plasmoniche e interagisce intensamente con gli eccitoni del semiconduttore. È proprio durante questo brevissimo intervallo che diventa possibile modulare la riflettività del sistema.

Utilizzando un secondo impulso laser esterno, i ricercatori sono riusciti a controllare l'intensità dell'interazione tra plasmoni ed eccitoni, ottenendo già nelle prime prove una variazione della luminosità riflessa fino al 10%. Un valore ritenuto significativo, soprattutto considerando che ulteriori margini di miglioramento potrebbero emergere con materiali e geometrie ottimizzate.

Per osservare un fenomeno così rapido, il team ha impiegato la spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES), una tecnica avanzata che consente di seguire le dinamiche quantistiche con risoluzione temporale dell'ordine dei femtosecondi.

Moritz Gittinger (a sinistra) e Daniel Timmer davanti all'esperimento su cui si basa lo studio

Dal punto di vista applicativo, questi risultati rafforzano l'idea che l'ottica su scala nanometrica rappresenti una delle poche strade percorribili per superare i limiti di velocità dell'elettronica convenzionale. Transistor ottici di questo tipo potrebbero aumentare drasticamente la quantità di informazioni elaborabili per unità di tempo, con potenziali ricadute su chip di nuova generazione, sensori avanzati, fotonica integrata e persino calcolo quantistico. La sfida, secondo i ricercatori, sarà ora progettare e perfezionare metamateriali attivi adatti a un'integrazione industriale.

Allo studio hanno partecipato, oltre all'Università di Oldenburg, anche l'Università di Cambridge, il Politecnico di Milano e la Technische Universität Berlin.