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Un laser più stabile potrebbe domare gli elettroni con la luce
Un gruppo dell’Università di Oldenburg ha sviluppato un sistema laser capace di generare impulsi di luce estremamente simili tra loro, mantenendo stabile per ore la posizione dell’onda elettromagnetica. Il dispositivo produce luce invisibile all’occhio umano e può diventare uno strumento per controllare in modo ripetibile il movimento dei singoli elettroni. Non è ancora un componente elettronico, ma prepara gli esperimenti necessari per costruirne di nuovi. Per chi segue hardware e semiconduttori, il traguardo indica una possibile strada verso circuiti comandati direttamente dalla luce.
Il sistema utilizza un laser infrarosso che emette 200.000 impulsi al secondo. Sei ricercatori di Oldenburg lo hanno caratterizzato insieme al gruppo dell’Università di Lund guidato dalla premio Nobel per la fisica Anne L’Huillier. Lo studio, pubblicato sulla rivista Applied Physics B, descrive impulsi con una lunghezza d’onda di circa 2 micrometri prodotti attraverso un amplificatore ottico parametrico.
Il parametro decisivo è la carrier-envelope phase, abbreviata in CEP. Un impulso molto breve contiene soltanto pochi picchi e avvallamenti del campo elettromagnetico: la CEP stabilisce esattamente dove questi si trovano all’interno del lampo. Se la posizione cambia a ogni emissione, anche la spinta esercitata su un elettrone può cambiare direzione o intensità, rendendo difficile confrontare le misure.
I ricercatori hanno verificato la stabilità delle oscillazioni su intervalli compresi fra microsecondi e diverse ore. Secondo il gruppo, la somiglianza tra tutti gli impulsi potrebbe essere da record, anche se il lavoro non presenta ancora un confronto definitivo con ogni piattaforma esistente. Il risultato è particolarmente delicato perché temperatura, movimenti dell’aria e vibrazioni minime possono alterare il campo ottico. Sono quindi serviti un apparato progettato con precisione e le condizioni controllate del laboratorio attosecondi di Oldenburg.
Disporre di impulsi quasi identici permette di usare i campi elettrici della luce come spinte calibrate, anziché come perturbazioni che variano da un esperimento all’altro. Il lavoro si inserisce in un tentativo più ampio di rendere controllabili luce e materia su scala microscopica, come raccontato nel nostro approfondimento su un metacristallo per chip quantistici più compatti.
La conseguenza concreta riguarda misure che finora potevano essere nascoste dalle differenze tra un impulso e il successivo. Una sorgente più stabile dovrebbe consentire di osservare come un singolo elettrone reagisce alla forma istantanea dell’onda e di ripetere l’esperimento migliaia di volte in condizioni confrontabili. Sul lungo periodo, tecniche simili potrebbero contribuire allo sviluppo di transistor ultraveloci, nei quali la commutazione viene scandita dal campo ottico su tempi molto più brevi rispetto all’elettronica convenzionale.
Lo studio resta però una caratterizzazione della sorgente laser, non la dimostrazione di un transistor ottico o del controllo completo di un singolo elettrone. La stabilità ottenuta dipende inoltre da un laboratorio altamente isolato e dovrà essere riprodotta in altri apparati, materiali e condizioni. Prima di arrivare a dispositivi industriali serviranno esperimenti che trasformino la precisione del laser in operazioni elettroniche affidabili e integrabili: non è quindi una tecnologia destinata ai processori nel breve termine.
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