Il Politecnico di Milano va oltre i transistor: operazioni logiche con impulsi ottici dimostrate a frequenze superiori ai 10 THz

Il futuro dei sistemi di elaborazione non è l'elettronica, ma la fotonica. Uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Nature Photonics dimostra infatti la possibilità di eseguire operazioni logiche sfruttando impulsi luminosi estremamente brevi, con frequenze operative di gran lunga superiori a quelle raggiungibili dai dispositivi elettronici convenzionali.

La ricerca è stata condotta da un gruppo del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano in collaborazione con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IFN) e altri centri internazionali. Il progetto è coordinato dal docente Giulio Cerullo, con il contributo dei ricercatori Stefano Dal Conte, Margherita Maiuri, Francesco Gucci – primo autore dell'articolo – e Mattia Russo. Per il CNR-IFN ha partecipato anche Franco Camargo.

I computer moderni elaborano l'informazione attraverso il movimento di cariche elettriche all'interno dei transistor. Questo approccio ha consentito per decenni un aumento costante delle prestazioni, ma la frequenza operativa di tali dispositivi si avvicina progressivamente a limiti fisici difficili da superare.

Il lavoro dei ricercatori propone un paradigma differente: utilizzare la luce non solo per trasmettere dati, come avviene nelle comunicazioni ottiche, ma anche per elaborarli. Gli impulsi laser ultrabrevi impiegati nello studio consentono di controllare lo stato quantistico degli elettroni all'interno del materiale su scale temporali dell'ordine dei femtosecondi, cioè milionesimi di miliardesimo di secondo.

In queste condizioni le operazioni logiche avvengono a frequenze superiori ai 10 terahertz, oltre cento volte più elevate rispetto a quelle raggiunte dai dispositivi elettronici più avanzati.

L'esperimento si basa sulle proprietà di un semiconduttore bidimensionale, il disolfuro di tungsteno (WS₂), utilizzato in una struttura spessa appena tre strati atomici. In materiali di questo tipo emergono particolari fenomeni quantistici legati alla struttura elettronica.

Gli elettroni possono infatti occupare due stati energetici distinti, chiamati "valli". Questi stati possono essere utilizzati come unità di informazione, analoghe ai tradizionali bit binari ma controllabili tramite la luce con tempi molto più brevi. Questo approccio rientra nel campo di ricerca noto come valleytronics, che studia l'utilizzo delle valli elettroniche come portatori di informazione.

Utilizzando sequenze controllate di impulsi laser ultracorti, i ricercatori sono riusciti a manipolare questi stati quantistici per realizzare operazioni logiche fondamentali. Gli impulsi permettono di accendere, spegnere o amplificare selettivamente il segnale associato alle valli elettroniche, replicando funzioni tipiche dei circuiti logici.

Un aspetto rilevante dell'esperimento è che le operazioni sono state realizzate a temperatura ambiente e con impulsi laser già comunemente utilizzati nei laboratori di ricerca. Lo studio ha inoltre consentito di misurare direttamente la durata della stabilità dell'informazione quantistica nel materiale, parametro fondamentale per qualsiasi applicazione tecnologica futura.

I risultati rappresentano una dimostrazione sperimentale del concetto, ma il percorso verso applicazioni concrete resta complesso. Secondo i ricercatori, le prossime sfide riguardano la generazione di sequenze di impulsi ottici sempre più sofisticate e l'aumento del numero di bit gestibili in dispositivi realistici.

Se queste sfide verranno superate, l'approccio potrebbe portare allo sviluppo di una nuova classe di dispositivi logici ultrarapidi, basati su fenomeni fotonici e quantistici. In prospettiva, tali tecnologie potrebbero affiancare o integrare l'elettronica tradizionale, aprendo scenari inediti per l'evoluzione dei sistemi di calcolo.