Un team di ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Regensburg ha catturato il movimento degli elettroni alla velocità più alta fino ad oggi. Il team l’ha catturato in attosecondi e questo nuovo sviluppo potrebbe aiutare a massimizzare le velocità di calcolo tradizionali o quantistiche. La ricerca fornisce nuove informazioni su come si comportano gli elettroni nei solidi.
Lo studio è stato pubblicato in Natura.
Aumento della velocità di elaborazione
Vedendo gli elettroni muoversi con questi piccoli incrementi, che sono un quintilionesimo di secondo, gli esperti potrebbero aumentare le velocità di elaborazione fino a un miliardo di volte più velocemente delle capacità attuali.
Mackilo Kira, che ha guidato gli aspetti teorici dello studio, è un professore di ingegneria elettrica e informatica di messaggistica unificata.
“Il processore del tuo attuale computer funziona in gigahertz, ovvero un miliardesimo di secondo per operazione”, ha detto Kira. “Nell’informatica quantistica, è estremamente lento perché gli elettroni all’interno di un chip di computer si scontrano trilioni di volte al secondo e ogni collisione termina il ciclo di elaborazione quantistica”.
“Ciò di cui avevamo bisogno, per portare avanti le prestazioni, sono istantanee di quel movimento di elettroni che sono un miliardo di volte più veloci. E ora ce l’abbiamo”.
Secondo Rupert Huber, professore di fisica all’Università di Ratisbona e corrispondente autore dello studio, i risultati potrebbero avere un grande impatto sul campo della fisica a molti corpi, anche più dell’informatica.
Huber ha guidato lo studio.
“Le interazioni tra molti corpi sono le forze trainanti microscopiche dietro le proprietà più ambite dei solidi – che vanno dalle prodezze ottiche ed elettroniche alle intriganti transizioni di fase – ma è notoriamente difficile accedervi”, ha detto Huber. “Il nostro attoclock a stato solido potrebbe diventare un vero punto di svolta, consentendoci di progettare nuovi materiali quantistici con proprietà su misura in modo più preciso e aiutare a sviluppare nuove piattaforme di materiali per la futura tecnologia dell’informazione quantistica”.
Osservare il movimento degli elettroni
I ricercatori hanno tradizionalmente fatto affidamento su brevi lampi di luce ultravioletta estrema (XUV) focalizzata per vedere il movimento degli elettroni all’interno di materiali quantistici bidimensionali. I lampi XUV rivelano l’attività degli elettroni attaccati al nucleo di un atomo. Tuttavia, la grande quantità di energia trasportata nelle esplosioni rende difficile l’osservazione chiara degli elettroni che viaggiano attraverso i semiconduttori, come nel caso degli attuali computer e materiali esplorati per l’informatica quantistica.
Per superare queste sfide, il team ha prima utilizzato due impulsi luminosi con scale di energia che corrispondono a quelle degli elettroni mobili a semiconduttore. Il primo impulso è stato la luce infrarossa, che mette gli elettroni in uno stato che consente loro di viaggiare attraverso il materiale. Il secondo impulso era un impulso terahertz a bassa energia, che costringe gli elettroni a traiettorie di collisione frontale controllate. Quando gli elettroni si schiantano, producono esplosioni di luce, che rivelano le interazioni dietro le informazioni quantistiche e i materiali quantistici esotici.
“Abbiamo usato due impulsi: uno che è energeticamente abbinato allo stato dell’elettrone, e poi un secondo impulso che fa cambiare lo stato”, ha spiegato Kira. “Possiamo essenzialmente filmare come questi due impulsi cambiano lo stato quantico dell’elettrone e quindi esprimerlo in funzione del tempo”.
Questa nuova sequenza sviluppata dal tempo consente la misurazione del tempo con un’elevata precisione.
“Questo è davvero unico e ci sono voluti molti anni di sviluppo”, ha affermato Huber. “È del tutto inaspettato che misurazioni così ad alta precisione siano possibili anche se ricordi quanto sia ridicolmente breve un singolo ciclo di oscillazione della luce – e la nostra risoluzione temporale è ancora cento volte più veloce”.
L’informatica quantistica può risolvere innumerevoli problemi che sono troppo complessi per l’informatica tradizionale e i progressi nelle capacità quantistiche potrebbero portare a molte soluzioni.
Markus Borsch è uno studente di dottorato di messaggistica unificata in ingegneria elettrica e informatica e coautore dello studio.
“Nessuno è stato finora in grado di costruire un computer quantistico scalabile e tollerante ai guasti e non sappiamo nemmeno come sarebbe”, ha detto Borsch. “Ma la ricerca di base come studiare come funziona il movimento elettronico nei solidi ai livelli più fondamentali potrebbe darci un’idea che ci porta nella giusta direzione”.