Un gruppo di fisici dell’Università di Oldenburg ha dimostrato un processo di commutazione ultra-rapido che potrebbe aprire nuove prospettive per i componenti ottici del futuro. Al centro della ricerca c’è un innovativo interruttore di luce basato su strati semiconduttori estremamente sottili, capace di operare a velocità fino a 10.000 volte superiori rispetto a quelle di un transistor elettronico tradizionale.
Un metamateriale attivo che funziona come un transistor ottico
Il dispositivo sviluppato dai ricercatori è una nanostruttura ibrida composta da argento e disolfuro di tungsteno, un semiconduttore spesso appena tre atomi. Presi singolarmente, questi materiali non mostrano particolari capacità di commutazione. “Considerati separatamente, nessuno dei due materiali presenta un effetto di switching”, spiega il fisico Christoph Lienau, che ha guidato il team di ricerca. “È solo quando vengono combinati che reagiscono in modo completamente diverso alla luce“.
La base del dispositivo è un array di nano-fessure in argento, inciso con scanalature parallele larghe e profonde circa 45 nanometri. Su questa superficie viene poi applicato un monostrato di disolfuro di tungsteno. Il risultato è uno specchio commutabile ultra-rapido, in grado di comportarsi come un transistor ottico, ovvero un componente che controlla la luce anziché la corrente elettrica.
Quando la luce colpisce la nanostruttura, viene temporaneamente immagazzinata in uno stato quantistico ibrido noto come exciton-plasmon polariton, che combina proprietà della luce e della materia. “In questo stato la luce resta “intrappolata” per circa 70 femtosecondi prima di essere riflessa“, chiariscono i ricercatori, propagandosi lungo la superficie del semiconduttore sotto forma di onde plasmoniche e interagendo in modo intenso con le coppie elettrone-lacuna, gli eccitoni.
La modulazione della luce e le applicazioni future
È proprio durante questa brevissima fase di immagazzinamento che diventa possibile controllare la riflettività del materiale. “In questa finestra temporale siamo riusciti a regolare la riflettività dello strato“, afferma Daniel Timmer, dell’Istituto di Fisica dell’Università di Oldenburg e co-autore dello studio. Utilizzando un impulso laser esterno, il team ha modificato la forza dell’interazione tra eccitoni e onde plasmoniche, ottenendo una variazione della luminosità della luce riflessa fino al 10%, un risultato già significativo nelle prime fasi sperimentali.
Per osservare il fenomeno, i ricercatori hanno impiegato la spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES), una tecnica che consente di seguire le interazioni quantistiche con una risoluzione temporale di pochi femtosecondi. “È come guardare un film di processi quantistici estremamente rapidi”, sottolinea Lienau. In questo caso, la tecnica ha permesso di studiare il metamateriale utilizzando impulsi di luce più brevi del processo di commutazione stesso, registrando le diverse fasi a intervalli minimi.
Secondo il team, le implicazioni sono particolarmente rilevanti per l’elaborazione ottica dei dati. “Con interruttori di questo tipo, la quantità di informazioni trasmesse per unità di tempo potrebbe aumentare in modo drastico”, osserva Lienau. A confronto, i transistor elettronici oggi impiegati in computer e televisori LED hanno tempi di commutazione circa mille volte più lunghi, un limite che, dal punto di vista della fisica, può essere superato solo puntando su tecnologie ottiche su scala nanometrica.
