Create le porte logiche più veloci di sempre per computer un milione di volte più veloci

Un team di ricercatori della Rochester University e dell'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga ha dimostrato per la prima volta una porta logica, l'elemento alla base dell'elaborazione delle informazioni, in grado di operare su scale temporali di femtosecondi.

Le porte logiche messe a punto non solo si sono dimostrate un milione di volte più veloci rispetto a quelle esistenti ma avvalorano la fattibilità dell'elettronica a onde luminose, ambito in cui la luce laser viene usata per guidare il movimento degli elettroni nella materia.

In pratica, in futuro potremmo avere porte logiche che funzionano sulla scala dei petahertz (PHz) e non dei gigahertz come oggi. Di fatti, sebbene velocissime, le porte logiche all'interno dei processori attuali non funzionano istantaneamente: c'è sempre un ritardo nell'ordine dei nanosecondi mentre processano i dati in ingresso (input).

Le prestazioni sono più che sufficienti per i sistemi attuali, ma per raggiungere nuovi traguardi è necessario spingersi oltre. Ed è proprio quello che ha fatto il gruppo di ricercatori, dimostrando che le nuove porte logiche possono processare l'informazione nell'ordine di femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo).

Per raggiungere queste velocità estreme, il team ha realizzato giunzioni costituite da un filo di grafene collegato a due elettrodi in oro. Quando il grafene viene colpito da coppie sincronizzate di impulsi laser, gli elettroni nel materiale si eccitano e si spostano verso uno degli elettrodi, generando una corrente elettrica.

Più precisamente si generano due particelle - chiamate "reali" e "virtuali" - che trasportano le cariche che compongono quelli che vengono definiti "burst" (esplosioni) di elettricità. I portatori di carica "reali" sono elettroni eccitati dalla luce che rimangono in movimento direzionale anche dopo lo spegnimento dell'impulso laser. I portatori di carica "virtuali", invece, sono elettroni che rimangono in movimento direzionale netto solo mentre l'impulso laser è attivo. Di conseguenza, sono "sfuggenti" e transitori.

Il team ha scoperto che modificando la fase degli impulsi laser è possibile generare un burst (esplosione) con solo uno dei due portatori di carica. In altre parole, non solo hanno generato due tipi di correnti, ma hanno anche imparato a controllarle in modo indipendente.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno usato come segnali in ingresso la fase di due impulsi laser sincronizzati, ognuno scelto per generare solamente un burst di portatori di carica reali o virtuali. A seconda delle fasi del laser, i due contributi alle correnti possono sommarsi o annullarsi. Assegnando a questo segnale elettrico un'informazione logica 0 oppure 1, i ricercatori sono riusciti a creare la porta logica più veloce di sempre.

"Ci vorrà probabilmente molto tempo prima che questa tecnica possa essere utilizzata in un chip per computer, ma almeno ora sappiamo che l'elettronica a onde luminose è effettivamente possibile", ha affermato Tobias Boolakee, ricercatore a capo dello studio. "Abbiamo chiarito il ruolo dei portatori di carica virtuali e reali nelle correnti indotte da laser, e questo apre la strada alla creazione di gate logici ultraveloci", gli fa eco Ignacio Franco, professore associato di chimica e fisica presso la Rochester.

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