Fare luce sui segreti dei nanoprocessori

Quando la luce viene accoppiata a degli elettroni su una superficie, il loro moto concertato può viaggiare come un’onda guidata dalla geometria stessa della superficie. Conosciute come “plasmon di superficie”, queste onde possono avere un impatto sullo sviluppo delle telecomunicazioni e del calcolo poiché in futuro i dati saranno probabilmente elaborati usando la luce invece dell’elettricità. L’uso della luce non è solo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all’elettricità, permette anche agli sviluppatori di ridurre le dimensioni del processore alla nanoscala - un passo necessario per costruire sensori ad alta risoluzione e sistemi di elaborazione del segnale in nanoscala.

La difficoltà però è che per costruire questi nano processori dobbiamo prima essere in grado di impilare diversi strati di materiali avanzati e seguire la luce guidata quando viaggia attraverso tali strati. Sfortunatamente gli scienziati non sono ancora riusciti a ottenere questo – fino ad ora.

Secondo un recente studio pubblicato dalla rivista “Nature Communications”, i ricercatori hanno raggiunto un punto di svolta per i futuri computer ibridi ottici-elettronici. Gli scienziati dall’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), impegnati nei progetti TRUEVIEW e USED, finanziati dall’UE, hanno sviluppato una tecnica ultraveloce in grado di seguire la luce e gli elettroni quando viaggiano attraverso una superficie impilata e nanostrutturata.

Lavoro rivoluzionario

Il progetto USED si è concentrato sulla comprensione e il controllo delle proprietà dei materiali a livello atomico. Il progetto è stato il primo a implementare con successo un microscopio elettronico a trasmissione (Transmission Electron Microscope, TEM) ultraveloce basato su un nuovo design che permette una risoluzione temporale e una sensibilità ai contatti magnetici senza precedenti. Un TEM è un telescopio avanzato che permette all’utente di produrre immagini istantanee al femtosecondo di materiali con la risoluzione atomica garantita da elettroni ad alta energia. Configurando un campo elettromagnetico sulla superficie di un singolo nano-filo e creando un’immagine delle sue proprietà in spazio ed energia, il TEM progettato da USED fa un’istantanea della luce stessa, rivelando simultaneamente la sua natura quantica e classica.

TRUEVIEW, dall’altra parte, è riuscito a mostrare i principi di funzionamento di onde ottiche confinate in nanoscala e la manipolazione della luce in nano strutture optoelettroniche. Implementando innovative tecniche di imaging elettronico per visualizzare direttamente e caratterizzare le nano strutture fotoniche e plasmoniche sia nello spazio che nel tempo con una risoluzione al nanometro e al femtosecondo, il progetto ha affermato il settore della microscopia elettronica ultraveloce all’interno della comunità europea della ricerca.

Luci, motore, nano-azione

Insieme al TEM progettato da USED, i due progetti hanno gettato le fondamenta per una serie di applicazioni optoelettroniche, tra cui la tecnica ultraveloce per seguire la luce e gli elettroni attraverso superfici impilate nano strutturate. Il processo comprende una piccolissima antenna a rete che consiste in una membrana sottilissima di azoturo di silicio, che viene coperta con una pellicola ancora più sottile di argento. La superficie della rete è piena di nano buchi, che sevono da antenne e permettono ai plasmon di viaggiare attraverso la sua interfaccia.

Queste antenne sono poi sollevate sparando impulsi laser ultraveloci sulla rete, seguiti da impulsi di elettroni ultrabrevi sparati attraverso la pila multistrato. Questo processo permette agli scienziati di mappare i plasmon irradiati dalle antenne all’interfaccia tra la pellicola d’argento e la membrana di nitrato di silicio. Usando la tecnica PINEM ultraveloce, gli scienziati possono realmente filmare la propagazione della luce guidata e leggere il suo profilo spaziale attraverso la pellicola. In un certo senso, la svolta operata da USED e TRUEVIEW dà agli scienziati la possibilità di vedere attraverso i muri – e a partire da questo possono progettare i campi plasmonici confinati in strutture multi-strato che sono necessari per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici.

Per maggiori informazioni, consultare:
Sito web del Lumes - Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering