Nell'ambito dell’elettronica ultrarapida si fa strada una importante scoperta scientifica guidata dal Politecnico di Milano e dal Cnr-Ifn. Uno studio pubblicato su Nature Photonics ha messo in luce il ruolo decisivo delle cariche virtuali negli isolanti per generare dispositivi ottici capaci di operare a frequenze finora impensabili. L’analisi condotta su scala degli attosecondi introduce una nuova visione dei processi elettronici e cambia le basi della fotonica moderna.
Nel contesto della fisica contemporanea, comprendere i meccanismi con cui la luce interagisce con la materia è uno degli obiettivi più complessi e affascinanti. Un gruppo di ricerca italiano, coordinato dal Politecnico di Milano in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr, ha compiuto un passo avanti in questo campo, rivelando l’importanza finora sottovalutata delle cariche virtuali negli isolanti. La pubblicazione dei risultati su Nature Photonics segna un punto di svolta nella comprensione dei fenomeni ultraveloci alla base dell’elettronica del futuro. L’indagine scientifica è stata condotta con il contributo dell’Università di Tsukuba e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, istituzioni di riferimento nella ricerca fotonica internazionale. L’esperimento ha utilizzato un campione di diamante monocristallino, scelto per le sue proprietà strutturali e ottiche, sottoposto a impulsi luminosi della durata di pochi attosecondi, intervalli di tempo estremamente brevi che permettono di analizzare i movimenti elettronici con una precisione senza precedenti. Lo strumento principale impiegato è stato la spettroscopia a riflessione transiente su scala degli attosecondi, una tecnica avanzata in grado di catturare le variazioni istantanee nella risposta ottica dei materiali solidi.
L’elaborazione dei dati sperimentali, confrontata con simulazioni numeriche di ultima generazione, ha permesso di isolare gli effetti associati alle transizioni virtuali verticali tra le bande elettroniche. È emerso che tali transizioni, generate da portatori virtuali, incidono profondamente sul comportamento ottico dei materiali in intervalli temporali dell’ordine degli attosecondi. La scoperta modifica radicalmente il quadro teorico che, fino a oggi, aveva considerato principalmente il movimento delle cariche reali come responsabile della risposta elettronica dei solidi. Secondo i ricercatori coinvolti, la comprensione dei processi legati ai portatori virtuali costituisce un elemento chiave per la progettazione di dispositivi ottici in grado di operare a frequenze di petahertz, cioè mille volte superiori a quelle degli attuali sistemi elettronici. Tale traguardo potrebbe portare alla realizzazione di interruttori e modulatori ottici con prestazioni senza precedenti, e nuove prospettive per l’elaborazione dei dati e le telecomunicazioni ultraveloci. L’impiego di impulsi luminosi così rapidi consentirebbe inoltre di manipolare le proprietà elettroniche dei materiali in modo controllato, con un potenziale impatto su diversi settori dell’industria tecnologica.
L’attività di ricerca è stata svolta presso l’Attosecond Research Center del Politecnico di Milano e rientra nei programmi europei e nazionali di eccellenza ERC AuDACE e MIUR FARE PHorTUNA, dedicati allo studio delle dinamiche ultraveloci nei materiali avanzati. Il sostegno di questi progetti ha permesso di sviluppare infrastrutture sperimentali di livello mondiale e di consolidare il ruolo della ricerca italiana nel panorama internazionale della fotonica. La scoperta rappresenta, pertanto, un passo determinante verso una nuova generazione di tecnologie in cui la velocità dei processi elettronici raggiungerà limiti finora considerati irraggiungibili. L’elettronica ultrarapida, grazie allo studio sulle cariche virtuali, si sta avvicinando così ad una realtà in cui la luce diventa il principale strumento di controllo e di trasmissione dell’informazione.
